富氮氨基酸衍生碳材料的制备及其在电催化氧还原中的应用

发布时间：2017-04-28 01:05

  本文关键词：富氮氨基酸衍生碳材料的制备及其在电催化氧还原中的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：燃料电池是一种转化效率高、环境友好的能源技术。其中阴极的氧还原反应因为决定了燃料电池能量存储和转换系统的整体表现而显得至关重要。但由于其使用的商业铂碳催化剂面临着高成本、低稳定性及地球存储量有限等问题,极大地阻碍了整个燃料电池商业化的进程。因此如何研究开发原料广泛、廉价,制备简单且具有高氧还原活性的新型氮掺杂碳材料作为阴极氧还原催化剂已成为研究的热点。本论文聚焦于选取富氮氨基酸作为氮源去制备新型碳基材料并应用于电催化氧还原。主要工作包括赖氨酸衍生的CNx和Fe3O4纳米颗粒形成的异质结构复合材料和S掺杂碳矩阵与组氨酸碳化复合碳材料在电催化氧还原中的应用,以及组氨酸衍生的棒状碳材料在酸性介质电催化氧还原中的应用三部分。针对所制备的含氮碳材料催化剂,一系列的物理测试对其组成与结构进行了表征,电化学测试对制备的电催化剂氧还原性能进行了表征。本论文由以下三部分组成:第一部分:赖氨酸衍生的CNx和Fe3O4纳米颗粒形成的异质结构复合碳材料在电催化氧还原中的应用为了寻求具有异质结构高效氧还原(ORR)活性的电催化剂,对我们之前的工作中报道过的Fe3O4-CNx复合材料进行了ORR电催化活性测试,结果表明Fe3O4-CNx有较差的催化活性。为了提高其催化剂的活性,通过热解的方法将赖氨酸衍生的CNx层修饰在Fe3O4-CNx复合材料上。物理表征表明,得到复合材料(Fe3O4-CNx-Lys)的珊瑚状形态依然保留,而其石墨结晶程度增加。此外,Fe3O4-CNx-Lys具有364.7 m2 g-1的表面积和分级的多孔结构。电化学测试表明,该催化剂的ORR活性不仅比Fe3O4-CNx,XC-72 C-Lys和XC-72 C好,而且几乎可以与商业的Pt/C(20 wt%)媲美,更是具有比Pt/C更好的抗甲醇中毒能力。第二部分:S掺杂碳矩阵与组氨酸碳化复合碳材料在电催化氧还原中的应用本部分工作是用浓硫酸碳化蔗糖的方法制备了一种S掺杂的絮状碳矩阵,通过碳化的方法将富氮氨基酸—组氨酸修饰在这种碳矩阵上,形成了高活性异质结构复合碳材料。经过XRD,TEM和XPS等一系列物理测试发现,这种异质结构碳材料具有很好的石墨化程度,且表面吡啶氮含量高。通过对催化剂进行电化学测试,结果表明其不仅具有非常好的氧还原活性,还表现出不错的抗甲醇中毒能力。第三部分:组氨酸衍生的棒状碳材料在电催化氧还原中的应用高比表面积棒状的氮掺杂碳材料(SHC-SBA-15)使用SBA-15作为模板制备而成。通过Brunauer-Emmett-Teller(BET)获得该碳材料的表面积约为915.3 m2g-1,孔径分布集中在约4 nm左右。虽然SHC-SBA-15催化剂在氧气饱和的0.1 mol L-1H2SO4溶液测试出的线性扫描极化曲线半波电位比商业Pt/C低,但是其起始电位和极限扩散电流密度在酸性介质中几乎与商业Pt/C相同。即使SHC-SBA-15催化剂氧还原(ORR)活性比不上商业Pt/C,但是它的低成本,长时耐久性以及优异的抗甲醇中毒性等优点使它成为了一个可以在酸性条件下代替Pt/C的潜在可能。
【关键词】：非贵金属电催化剂 氧化还原反应 N-掺杂 S-掺杂
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 文献综述12-27
• 1.1 引言12-13
• 1.2 碳基材料作为燃料电池阴极氧还原电催化剂的研究13-16
• 1.2.1 过渡金属-碳基材料13-14
• 1.2.2 N掺杂-碳基材料14-15
• 1.2.3 其他杂原子掺杂-碳基材料15-16
• 1.3 影响含氮碳基材料氧还原活性因素的研究16-19
• 1.3.1 氮源16-17
• 1.3.2 热处理17-18
• 1.3.3 形貌18-19
• 1.4 本论文的研究内容和意义19-20
• 参考文献20-27
• 第二章 赖氨酸衍生的CN_x和Fe_3O_4纳米颗粒形成的异质结构复合材料在电催化氧还原中的应用27-39
• 2.1 引言27-28
• 2.2 实验部分28-30
• 2.2.1 试剂与原料28
• 2.2.2 试验仪器28-29
• 2.2.3 赖氨酸衍生的CN_x和Fe_3O_4纳米颗粒形成的异质结构复合材料的制备29
• 2.2.4 催化剂的物理表征29-30
• 2.2.5 氧还原电化学测试30
• 2.3 结果与讨论30-36
• 2.3.1 赖氨酸衍生的CN_x和Fe_3O_4纳米颗粒形成的异质结构复合材料的物理表征30-33
• 2.3.2 赖氨酸衍生的CN_x和Fe_3O_4纳米颗粒形成的异质结构复合材料的电化学表征33-36
• 2.4 结论36-37
• 参考文献37-39
• 第三章 S掺杂碳矩阵与组氨酸碳化复合碳材料在电催化氧还原中的应用39-52
• 3.1 引言39-40
• 3.2 实验部分40-41
• 3.2.1 试剂与原料40
• 3.2.2 试验仪器40
• 3.2.3 S掺杂碳矩阵与组氨酸碳化复合碳材料的制备40
• 3.2.4 碳材料的物理表征和电化学测试40-41
• 3.3 结果与讨论41-49
• 3.3.1 S掺杂碳矩阵与组氨酸碳化复合碳材料的物理表征41-46
• 3.3.2 S掺杂碳矩阵与组氨酸碳化复合碳材料的电化学表征46-49
• 3.4 结论49-50
• 参考文献50-52
• 第四章 组氨酸衍生的棒状碳材料在电催化氧还原中的应用52-64
• 4.1 引言52-53
• 4.2 实验部分53-54
• 4.2.1 试剂与原料53
• 4.2.2 试验仪器53
• 4.2.3 组氨酸衍生的棒状ORR非贵金属催化剂的制备53-54
• 4.2.4 材料的物理表征54
• 4.2.5 氧还原电化学测试54
• 4.3 结果与讨论54-61
• 4.3.1 组氨酸衍生的棒状ORR非贵金属催化剂的物理表征54-57
• 4.3.2 组氨酸衍生的棒状ORR非贵金属催化剂的电化学测试57-61
• 4.4 结论61-62
• 参考文献62-64
• 结论与展望64-65
• 硕士期间发表论文及专利65-67
• 致谢67

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本文编号：331798