氮/硫掺杂三维多孔石墨烯氧还原催化剂的制备、性能及催化机理研究
发布时间：2022-01-06 00:48
氧还原过程是金属空气-电池、燃料电池等能量转换与存贮装置的一个非常重要的反应,但是其缓慢的动力学限制了金属空气-电池以及燃料电池的发展。目前促进此迟滞反应的催化剂是商业铂碳,但是铂的储量非常少而且价格昂贵,限制了这些新能源装置的大规模推广。由于具有良好的电子转移速率、机械强度和高透光率,石墨烯便引起了科学家们的广泛关注。过渡金属和杂原子的引入使石墨烯的电化学性能进一步提高,因此石墨烯被研究者们认为是最具有发展前景的非贵金属氧还原催化剂之一。但是石墨烯层间非常容易发生堆叠和自聚现象,这就导致石墨烯的比表面积大大减小,从而使电化学性能降低。目前研究者们通常采用硬模板法将二维结构的石墨烯转换成三维多孔结构,但是硬模板法使用金属镍或者二氧化硅作为模板,制备方法繁琐复杂。因此,本论文开发了一种全新的非外加模板一步合成法制备高效的三维多孔氮/硫掺杂石墨烯催化剂,并考察了它们在碱性介质中的氧气还原催化效果,采用SEM、TEM、氮气吸脱附测试、XRD以及XPS等对催化剂的组成和结构做了形貌表征,并用CV、RDE、RRDE和锌-空电池发电等电化学技术分析氧还原动力学和催化机理,以期探讨影响氧还原活性的关...
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池组成及工作原理图[1]Figure1-1Thecomponentsandprincipleoffuelcells
1.2.1引言石墨烯是由一层碳原子呈正六边形以共价键方式结合而成的二维晶体（如图1-2）。它机械强度超高、导热效果优异、透光率高、比表面积超大、电子转移速率超快[6]。石墨烯的碳原子之间以作用力较强共价键相结合，因此常温条件下周围的碳原子间即使发生挤撞现象，石墨烯中的电子也几乎不会受到干扰。石墨烯是到目前为止发现的最薄也是结构非常稳定的一种碳纳米材料[7]。石墨烯中的电子又被称为狄拉克-费米子(Dirac-Fermion)[8,9]，这样的色散关系导致载流子能在电子和空穴之间连续转变，决定了石墨烯“零带隙”半导体的属性。石墨烯的高迁移率[10]、室温量子霍尔效应[11]、高热导率[12]及对可见光的高透射率[13]都与其特殊的能带结构有关，这赋予了石墨烯多种独特的物理特性。但是石墨烯的二元对称结构也使石墨烯性质缺少了调制的空间。在石墨烯晶格内引入杂原子是打破石墨烯对称结构的重要方法之一，而且可以根据杂原子的含量、位置和结构来调制其性能。其中，氮原子因为具有和碳原子相近的尺寸，而容易嵌入到石墨烯骨架中实现掺杂而引起研究者们的高度关注[14]
羰基、羧基以及环氧基等基团，使石墨层剥离开，以此得到氧化石墨，之后再利用热处理、搅拌或者超声等方法使氧化石墨剥离成氧化石墨烯，最后再通过化学还原或者高温还原等还原法去除氧化石墨烯中的含氧官能团得到石墨烯（如图1-4）。氧化还原法具有成本低、易功能化、产量高、性质可调控等优点，因此其受到研究者们的广泛关注，目前最常用的是 Hummers 法[39]。通常，实验室制备石墨烯都是通过氧化还原法，因为此方法成本较低，不需要很昂贵的设备，同时氧化还原法反应条件较 CVD 法和外延生长法更温和，反应过程也较好控制，但是氧化还原法制备的石墨烯存在缺陷，这就导致了石墨烯的各项性能包括光学、热学、电学和力学等下降。氧化石墨烯和氧化石墨都不具有导电性，因为其 sp2杂化网络被打破了
【参考文献】：
期刊论文
[1]Electrochemical synthesis of sulfur-doped graphene sheets for highly efficient oxygen reduction[J]. Shuhua Li,Ling Ding,Louzhen Fan. Science China Chemistry. 2015(03)
[2](100)晶面择优的铂铱合金立方体纳米颗粒的可控制备及其高电催化活性（英文）[J]. 钟澄,刘杰,倪正洋,邓意达,陈彬,胡文彬. Science China Materials. 2014(01)
[3]石墨烯产业化制备技术及其应用研究进展[J]. 谈述战,王梦媚,葛传良,刘毅,王德禧. 工程塑料应用. 2013(08)
[4]石墨烯的制备与应用研究进展[J]. 关磊. 电子元件与材料. 2012(04)
本文编号：3571376
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池组成及工作原理图[1]Figure1-1Thecomponentsandprincipleoffuelcells
1.2.1引言石墨烯是由一层碳原子呈正六边形以共价键方式结合而成的二维晶体（如图1-2）。它机械强度超高、导热效果优异、透光率高、比表面积超大、电子转移速率超快[6]。石墨烯的碳原子之间以作用力较强共价键相结合，因此常温条件下周围的碳原子间即使发生挤撞现象，石墨烯中的电子也几乎不会受到干扰。石墨烯是到目前为止发现的最薄也是结构非常稳定的一种碳纳米材料[7]。石墨烯中的电子又被称为狄拉克-费米子(Dirac-Fermion)[8,9]，这样的色散关系导致载流子能在电子和空穴之间连续转变，决定了石墨烯“零带隙”半导体的属性。石墨烯的高迁移率[10]、室温量子霍尔效应[11]、高热导率[12]及对可见光的高透射率[13]都与其特殊的能带结构有关，这赋予了石墨烯多种独特的物理特性。但是石墨烯的二元对称结构也使石墨烯性质缺少了调制的空间。在石墨烯晶格内引入杂原子是打破石墨烯对称结构的重要方法之一，而且可以根据杂原子的含量、位置和结构来调制其性能。其中，氮原子因为具有和碳原子相近的尺寸，而容易嵌入到石墨烯骨架中实现掺杂而引起研究者们的高度关注[14]
羰基、羧基以及环氧基等基团，使石墨层剥离开，以此得到氧化石墨，之后再利用热处理、搅拌或者超声等方法使氧化石墨剥离成氧化石墨烯，最后再通过化学还原或者高温还原等还原法去除氧化石墨烯中的含氧官能团得到石墨烯（如图1-4）。氧化还原法具有成本低、易功能化、产量高、性质可调控等优点，因此其受到研究者们的广泛关注，目前最常用的是 Hummers 法[39]。通常，实验室制备石墨烯都是通过氧化还原法，因为此方法成本较低，不需要很昂贵的设备，同时氧化还原法反应条件较 CVD 法和外延生长法更温和，反应过程也较好控制，但是氧化还原法制备的石墨烯存在缺陷，这就导致了石墨烯的各项性能包括光学、热学、电学和力学等下降。氧化石墨烯和氧化石墨都不具有导电性，因为其 sp2杂化网络被打破了
【参考文献】：
期刊论文
[1]Electrochemical synthesis of sulfur-doped graphene sheets for highly efficient oxygen reduction[J]. Shuhua Li,Ling Ding,Louzhen Fan. Science China Chemistry. 2015(03)
[2](100)晶面择优的铂铱合金立方体纳米颗粒的可控制备及其高电催化活性（英文）[J]. 钟澄,刘杰,倪正洋,邓意达,陈彬,胡文彬. Science China Materials. 2014(01)
[3]石墨烯产业化制备技术及其应用研究进展[J]. 谈述战,王梦媚,葛传良,刘毅,王德禧. 工程塑料应用. 2013(08)
[4]石墨烯的制备与应用研究进展[J]. 关磊. 电子元件与材料. 2012(04)
本文编号：3571376
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