發(fā)布時間：2017-06-11 10:08

  本文關鍵詞：多元素摻雜的納米多孔材料的合成及其電化學性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：目前,能源危機日益嚴峻,傳統(tǒng)能源的日漸耗盡將無法適應社會的高速發(fā)展。燃料電池作為一種高性能、綠色無污染的新型能量轉化設備,已經(jīng)得到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注,并取得了長足進步。燃料電池將燃料的化學能直接轉化為電能,轉換效率高。陰極的氧化還原反應(簡稱ORR),是影響燃料電池能量轉換效率的一個最主要的限制因素。當前,ORR活性最高的鉑系催化劑存在成本高、儲量少、耐用性不高等缺點,大大限制了它在燃料電池工業(yè)化方面的應用。與商用的貴金屬催化劑相比,非貴金屬催化劑得到了越來越多的關注。碳材料尤其是雜原子摻雜的碳材料,具有良好的ORR催化活性,很高的抗甲醇和一氧化碳中毒能力和優(yōu)越的穩(wěn)定性,得到了高度關注。此外,氫氣是一種環(huán)境友好型的燃料,可以用于電化學電池為車輛、電子設備提供動力,解決能源危機。析氫反應(HER)是電解法制備氫氣的重要過程,因此找到一種有效的電化學催化劑成為了研究熱點。本論文采用金屬有機框架化合物(簡稱MOFs)作為基體,通過后合成改性進行P摻雜,再通過高溫碳化得到氮磷共摻雜的納米多孔碳材料,在ORR和HER方面具有較好的催化活性,為開發(fā)雙功能催化劑提供了一種新途徑。本研究主要內容如下：1)采用含氮的多孔MOF材料——UiO-66-NH2作為自犧牲模板,同時作為碳源和氮源,再通過一步后合成修飾(PSM)與摻P劑反應得到富氮磷的前驅體,碳化后再用酸洗得到的氮磷共摻雜的納米多孔碳材料。研究了碳化溫度對碳材料結構和性能的影響,結果表明950℃下得到的樣品ORR性能最好。并通過對比實驗,直接碳化UiO-66和UiO-66-NH2,探索了磷和氮元素在ORR中所起的作用,證明磷和氮元素在催化ORR反應時的協(xié)同效應。2)以UiO-66-NH2為基體,碳化后再用酸洗得到的氮磷共摻雜的納米多孔碳材料,具有較高的BET比表面積(1095 m2/g),表現(xiàn)出良好的ORR催化性能。在0.1 M KOH條件下,催化活性與20% Pt/C相當,起始電位為0.98V,半波電位為0.80V,極限擴散電流密度為4.83mA/cm2,在0.6V時電子轉移數(shù)為3.83。而且,P-N-Carbon-950不發(fā)生甲醇中毒現(xiàn)象,在0.6V條件下6小時計時電流測試表明P-N-Carbon-950的電流下降約5%,遠遠優(yōu)于20% Pt/C催化劑的33%,具有很好的長期操作穩(wěn)定性。3)以MIL-101-NH2(Fe)為基體,通過上述類似方法得到的磷氮共摻雜的碳材料,具有ORR和HER雙功能催化劑的特性。在0.1 MKOH條件下,起始電位為0.99V,半波電位為0.82V,與20% Pt/C相差分別為10mV和20mV；極限擴散電流密度為5.50mA/cm2,優(yōu)于20%Pt/C的5.05mA/cm2,在0.6V時電子轉移數(shù)為3.9,表現(xiàn)出良好的ORR催化性能。在0.5M H2SO4條件下催化氫析出反應(HER),起始電位為-0.15V,在電流密度為10mA/cm2時,電位為-0.255V,具有一定的HER催化活性。
【關鍵詞】：氮磷共摻雜 納米多孔碳材料 燃料電池 氧還原反應 析氫反應
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383;O643.36
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 緒論13-25
• 1.1 金屬有機框架化合物(MOFs)概述13-15
• 1.1.1 MOFs研究背景13-14
• 1.1.2 MOFs的改性研究14-15
• 1.2 納米多孔碳材料研究概述15-21
• 1.2.1 納米多孔碳材料簡介15-16
• 1.2.2 單摻雜納米多孔碳材料16-19
• 1.2.3 多摻雜納米多孔碳材料19-20
• 1.2.4 MOF-基多孔碳材料的研究20-21
• 1.3 摻雜納米多孔碳材料在電化學領域的應用21-23
• 1.3.1 燃料電池陰極氧還原反應(ORR)21-22
• 1.3.2 析氫反應(HER)22-23
• 1.4 本課題的立題意義及其研究內容23-25
• 第二章 兩種MOF基氮磷共摻雜的多孔碳的制備及表征25-41
• 2.1 引言25-26
• 2.2 實驗部分26-31
• 2.2.1 主要試劑與儀器26-28
• 2.2.2 兩種MOF材料的制備28
• 2.2.3 MOF-基氮磷共摻雜的多孔碳的制備28-29
• 2.2.4 MOF-基氮磷共摻雜的多孔碳的表征方法29-31
• 2.3 表征結果與分析31-39
• 2.3.1 制備UiO-66-NH_2基氮磷共摻雜多孔碳的相關表征31-36
• 2.3.2 制備MIL-101-NH_2(Fe)基氮磷共摻雜多孔碳的相關表征36-39
• 2.4 本章小結39-41
• 第三章 UiO-66-NH_2-基氮磷共摻雜多孔碳材料應用于ORR41-53
• 3.1 引言41-42
• 3.2 實驗部分42-43
• 3.2.1 工作電極制備42
• 3.2.2 電化學性能測試42-43
• 3.3 結果與分析43-50
• 3.3.1 循環(huán)伏安法(CV)測試43-45
• 3.3.2 線性掃描伏安法(LSV)測試45-49
• 3.3.3 抗甲醇干擾性和穩(wěn)定性測試49-50
• 3.4 本章小結50-53
• 第四章 MIL-101-NH_2(Fe)-基氮磷共摻雜多孔碳應用于ORR和HER53-63
• 4.1 引言53
• 4.2 實驗部分53-54
• 4.2.1 工作電極制備53-54
• 4.2.2 ORR性能測試54
• 4.2.3 HER性能測試54
• 4.3 結果與分析54-60
• 4.3.1 堿性條件下ORR性能表征54-57
• 4.3.2 酸性條件下ORR性能表征57-58
• 4.3.3 酸性條件下HER性能表征58-60
• 4.4 本章小結60-63
• 第五章 結論63-65
• 參考文獻65-73
• 致謝73-75
• 研究成果及發(fā)表的學術論文75-77
• 作者及導師簡介77-78
• 北京化工大學碩士研究生學位論文答辯委員會決議書78-79

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本文編號：441354