本文關(guān)鍵詞：模板法制備分級(jí)多孔碳基材料及其氧還原催化性能研究

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【摘要】：為了擺脫貴金屬Pt/C催化劑對(duì)燃料電池商業(yè)化的限制,多孔碳基納米材料被廣泛研究并表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性、穩(wěn)定性以及抗甲醇中毒的能力。目前多孔碳基納米材料面臨的主要問(wèn)題是:如何開(kāi)發(fā)新型廉價(jià)的前驅(qū)體以及簡(jiǎn)單高效的合成方法實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)以及表面組成的調(diào)控進(jìn)而改善材料的電催化性能。針對(duì)上述問(wèn)題,本論文選用最新發(fā)現(xiàn)的價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單可控的質(zhì)子鹽為單一前驅(qū)體,通過(guò)模板法快速大規(guī)模制備出多元素?fù)诫s的分級(jí)多孔碳基納米材料。通過(guò)改變模板的種類(lèi)、添加量以及熱處理溫度等反應(yīng)條件實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)物形貌、孔徑等微觀結(jié)構(gòu)和雜原子摻雜的含量和類(lèi)型等表面組成的調(diào)控,并系統(tǒng)探究了材料的結(jié)構(gòu)與組成對(duì)電催化性能的影響。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)以對(duì)苯二胺和硫酸為原料,通過(guò)中和反應(yīng)制備出對(duì)苯二胺硫酸鹽并作為單一前驅(qū)體,以SiO_2為模板快速制得三維有序大孔碳NSAC。其中,以質(zhì)子鹽為前驅(qū)體可以實(shí)現(xiàn)N/S元素的原位摻雜;改變SiO_2的尺寸、添加量和熱處理溫度可以改變產(chǎn)物的形貌、比表面積和表面摻雜狀態(tài),進(jìn)而改善材料的電催化性能。研究發(fā)現(xiàn):復(fù)制大尺寸SiO_2形成的連通開(kāi)放結(jié)構(gòu)更有利于催化活性位的暴露,使材料獲得與Pt/C相近的極限電流密度和稍負(fù)的起始電位。(2)以對(duì)苯二胺硫酸鹽為前驅(qū)體,FeCl_3為模板,一步熱解制得二維介孔碳納米片NSFC。通過(guò)改變FeCl_3的添加量和溫度調(diào)控NSFC的片層厚度、孔徑分布以及N/S/Fe元素的摻雜狀態(tài),進(jìn)而探究材料結(jié)構(gòu)和組成與催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):適量的FeCl_3可以剝離出超薄的碳納米片,引入大量孔徑均一的介孔,提高比表面積,促進(jìn)反應(yīng)物擴(kuò)散;Fe的引入可以構(gòu)筑新的活性位點(diǎn)Fe-Nx,最終使NSFC獲得比Pt/C更正的起始電位和相當(dāng)?shù)臉O限電流。(3)以SiO_2和FeCl_3為雙模板,與對(duì)苯二胺硫酸鹽混合后一步制得組合型分級(jí)多孔碳基材料NSHC。通過(guò)改變模板的種類(lèi)和添加量,探究了雙模板法在調(diào)控產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)和表面組成方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn):組合了NSAC和NSFC兩種結(jié)構(gòu)的NSHC不僅開(kāi)放程度更大,使活性位點(diǎn)充分暴露;而且兩種結(jié)構(gòu)之間具有很強(qiáng)的界面作用力,有利于電子轉(zhuǎn)移和傳輸,最終使NSHC表現(xiàn)出完全超越Pt/C的活性和循環(huán)穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：氧還原催化劑 質(zhì)子鹽 模板法 多元素?fù)诫s 分級(jí)多孔碳
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 燃料電池陰極氧還原催化劑12-15
• 1.1.1 陰極氧還原反應(yīng)的機(jī)理12-13
• 1.1.2 多孔碳基催化劑的電化學(xué)性能測(cè)試方法13-15
• 1.2 多孔碳基納米材料15-22
• 1.2.1 多孔碳基納米材料的形貌和結(jié)構(gòu)15-17
• 1.2.2 多孔碳基納米材料電催化性能的影響因素17-22
• 1.2.3 多孔碳基氧還原催化劑的問(wèn)題與展望22
• 1.3 本論文研究的主要內(nèi)容22-24
• 第二章 SiO_2為硬模板制備N(xiāo)SAC催化劑及其電催化性能研究24-44
• 2.1 前言24
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分24-26
• 2.2.1 原料與試劑24-25
• 2.2.2 材料制備25-26
• 2.2.3 材料表征26
• 2.2.4 電極制備與電催化ORR性能測(cè)試26
• 2.3 結(jié)果與討論26-43
• 2.3.1 NSPC、NSAC和NSEC催化劑的結(jié)構(gòu)和形貌表征26-35
• 2.3.2 N/S共摻多孔碳材料的ORR催化性能測(cè)試35-43
• 2.4 小結(jié)43-44
• 第三章 FeCl_3為二維模板制備N(xiāo)SFC催化劑及其電催化性能研究44-61
• 3.1 前言44
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分44-46
• 3.2.1 原料與試劑44-45
• 3.2.2 材料制備45
• 3.2.3 材料表征45-46
• 3.2.4 電極制備與電催化ORR性能測(cè)試46
• 3.3 結(jié)果與討論46-59
• 3.3.1 NSFC催化劑的結(jié)構(gòu)和形貌表征46-53
• 3.3.2 N/S/Fe共摻碳納米片材料的ORR催化性能測(cè)試53-59
• 3.4 小結(jié)59-61
• 第四章 雙模板法制備N(xiāo)SHC催化劑及其電催化性能研究61-77
• 4.1 前言61-62
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分62-63
• 4.2.1 原料與試劑62
• 4.2.2 材料制備62-63
• 4.2.3 材料表征63
• 4.2.4 電極制備與電催化ORR性能測(cè)試63
• 4.3 結(jié)果與討論63-76
• 4.3.1 NSHC催化劑的結(jié)構(gòu)和形貌表征63-70
• 4.3.2 N/S/Fe共摻組合型分級(jí)多孔材料的ORR催化性能測(cè)試70-76
• 4.4 小結(jié)76-77
• 第五章 總結(jié)和展望77-80
• 5.1 總結(jié)77-78
• 5.2 展望78-80
• 參考文獻(xiàn)80-88
• 致謝88-89
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文89

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 張慧;周雅靜;宋肖鍇;;基于金屬-有機(jī)骨架前驅(qū)體的先進(jìn)功能材料[J];化學(xué)進(jìn)展;2015年Z1期

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本文編號(hào)：993319