杂原子掺杂碳纳米材料在电催化中的应用

发布时间：2017-09-08 02:01

  本文关键词：杂原子掺杂碳纳米材料在电催化中的应用

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【摘要】：氢气作为清洁、安全、可再生的二次能源,能够满足人们日益增长的能源需求。电解水制备氢气有望成为大规模产氢的有效手段。相比于商用贵金属催化剂,无金属的掺杂型碳材料由于成本低廉、易于制取,近年来备受广泛研究。考虑到多数科研工作的无金属掺杂型碳材料合成路线中含有过渡金属引入,但这类无金属掺杂型碳材料的活性位点和金属引入所起到的作用尚未明确。为了解决该问题,本文从以下方面进行研究：第一,提出一步热处理方法制备氮掺杂多孔碳材料,并应用于电催化析氢反应的实验思路。通过采用乙二胺四乙酸作为碳源、三聚氰胺作为氮源、氢氧化钾作为活化剂制备氮掺杂多孔碳材料,探究了煅烧温度对催化性能的影响。掺杂元素为电催化析氢的活性位点,过高的温度致使掺杂元素流失,而相对较低的温度下碳材料的碳化不足造成了活性的下降。第二,为了进一步提高性能以及探究过渡金属对于碳材料结构和电催化性能的影响,制备了过渡金属修饰氮掺杂多孔碳材料,并应用于电催化析氢领域。考察了以下几种导致性能差异化的因素：氮含量、氮形态、缺陷密度、材料形貌以及过渡金属残余的含量和形式。其中,钴修饰氮掺杂多孔碳纳米材料在各个pH的电解质溶液中均表现最优的性能,在酸性电解质中的析氢起始约为-90 mV,塔菲尔斜率为122 mV dec-1。第三,为了探究钻修饰氮掺杂多孔碳材料中钻的存在形式、含量与电催化性能之间的相互关联,通过调控钴前驱物,考察材料中残余钴含量与电催化性能之间的关系。分析结果表明,钴与毗邻的氮以及碳原子具有相互作用,在酸性体系中稳定存在并发挥活性位点的作用。本工作通过研究制备碳材料中引入的过渡金属残余对电催化析氢性能的影响,确认了过渡金属残余与毗邻元素的配合作用为影响性能优劣的决定性因素。
【关键词】：过渡金属 氮掺杂 碳材料 析氢反应
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ127.11
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-33
• 1.1 课题研究背景15-17
• 1.2 电催化析氢材料研究进展17-27
• 1.2.1 过渡金属硫化物17-18
• 1.2.2 过渡金属硒化物18-19
• 1.2.3 过渡金属碳化物19
• 1.2.4 过渡金属氮化物19-21
• 1.2.5 过渡金属磷化物21
• 1.2.6 杂原子掺杂碳材料21-27
• 1.3 杂原子掺杂碳纳米材料中电催化性能影响因素27-31
• 1.3.1 氮含量及形态对性能的影响27-29
• 1.3.2 形貌以及结构对性能的影响29-30
• 1.3.3 金属元素残余对性能的影响30-31
• 1.4 本论文的研究目的、意义及研究内容31-33
• 第二章 无金属引入的氮掺杂碳纳米材料的合成及其电催化析氢性能的研究33-43
• 2.1 引言33
• 2.2 实验主要试剂和仪器33-34
• 2.2.1 实验主要试剂33-34
• 2.2.2 主要仪器34
• 2.3 实验部分34-37
• 2.3.1 氮掺杂碳纳米材料的制备34-35
• 2.3.2 结构表征35-36
• 2.3.3 电催化析氢测试36-37
• 2.4 结果与讨论37-42
• 2.4.1 形貌表征结果37-38
• 2.4.2 电化学活性表征结果38-39
• 2.4.3 结构表征结果39-42
• 2.5 小结42-43
• 第三章 不同过渡金属修饰的氮掺杂多孔碳纳米材料的合成及其电催化析氢性能的研究43-55
• 3.1 引言43
• 3.2 实验主要试剂和仪器43-44
• 3.2.1 主要试剂43-44
• 3.2.2 主要仪器44
• 3.3 实验部分44-46
• 3.3.1 过渡金属修饰的氮掺杂多孔碳材料的制备44-45
• 3.3.2 结构表征45-46
• 3.3.3 电催化析氢性能测试46
• 3.4 结果与讨论46-52
• 3.4.1 形貌表征结果46-48
• 3.4.2 电化学活性表征结果48-50
• 3.4.3 结构表征结果50-52
• 3.5 小结52-55
• 第四章 过渡金属残余含量对电催化析氢性能影响的研究55-65
• 4.1 引言55
• 4.2 实验主要试剂和仪器55-56
• 4.2.1 主要试剂55
• 4.2.2 主要仪器55-56
• 4.3 实验部分56-57
• 4.3.1 过渡金属修饰的氮掺杂多孔碳材料的制备56
• 4.3.2 结构表征56-57
• 4.3.3 电催化析氢性能测试57
• 4.4 结果与讨论57-63
• 4.4.1 电化学活性表征结果57-60
• 4.4.2 结构表征结果60-63
• 4.5 小结63-65
• 第五章 结论65-67
• 参考文献67-75
• 致谢75-77
• 研究成果及发表的学术论文77-79
• 作者和导师简介79-80
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书80-81

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