本文關(guān)鍵詞：碳基納米催化劑的改性及其能源轉(zhuǎn)換性能的研究　出處：《蘭州大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 非貴金屬 碳基納米催化劑 改性 析氧反應(yīng) 析氫反應(yīng) 氧還原反應(yīng)

【摘要】：全世界的科研與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域廣泛致力于發(fā)展新型能源轉(zhuǎn)換科技,例如電解水和燃料電池。受限于動(dòng)力學(xué)緩慢的析氧反應(yīng)(OER)、析氫反應(yīng)(HER)和氧還原反應(yīng)(ORR),這些領(lǐng)域大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用舉步維艱。研發(fā)價(jià)格低廉而性能卓越的非貴金屬(過渡金屬以及無金屬)催化劑是解決問題的關(guān)鍵所在。本論文以非貴金屬碳基納米催化劑在OER、HER和ORR中的應(yīng)用為研究切入點(diǎn),深入探究了催化劑的改性與構(gòu)建,全面分析了催化劑結(jié)構(gòu)對(duì)催化活性的影響,為非貴金屬碳基納米催化劑的工業(yè)化應(yīng)用提供了參考。1.嵌有Co@Co_3O_4核殼納米顆粒的氮摻雜的介孔碳籠復(fù)合材料的制備及其電催化水氧化性能的研究金屬-有機(jī)框架材料(MOF)由金屬離子或簇和有機(jī)配體通過配位鍵自組裝形成,具有比表面積高、孔徑大小和形狀規(guī)則有序可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)�；诖�,本節(jié)工作以三維沸石咪唑框架(ZIF-9)為MOF材料,以ZIF-9/氧化石墨烯(GO)為碳化前驅(qū)體,通過調(diào)控GO含量和熱處理方式,制備出嵌有Co@Co_3O_4核殼納米顆粒的氮摻雜的介孔碳籠電催化劑,并研究了MOF衍生材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),及其對(duì)OER電催化活性的影響。研究表明:(1)高溫碳化過程中,ZIF-9中周期性排布的Co2+被還原成分布均勻的Co納米顆粒,有機(jī)配體形成N摻雜的介孔碳,并原位包裹Co納米顆粒,形成特殊的碳籠結(jié)構(gòu);(2)通過調(diào)控?zé)崽幚矸绞?Co納米顆�？尚纬蒀o@Co_3O_4或Co_3O_4納米顆粒;(3)氮摻雜的介孔碳籠本身具有一定的OER活性;(4)MOF衍生催化劑保持了MOF比表面積高以及具有孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn);(5)GO對(duì)催化劑形貌和性能有著重要影響;(6)Co@Co_3O_4核殼納米顆粒中的Co核可能提供電子轉(zhuǎn)移路徑,提高OER性能。2.Co_3O_4納米顆粒嵌入在氮摻雜的介孔碳層/碳納米管碳復(fù)合材料中作為雙功能電催化劑應(yīng)用于水氧化和氧還原反應(yīng)基于MOF材料作為碳化前驅(qū)體的優(yōu)點(diǎn),本節(jié)工作利用兩步熱處理法合成了Co_3O_4納米顆粒嵌入的氮摻雜的介孔碳層/碳納米管(CNTs)復(fù)合材料。該材料不僅具有良好的OER電催化活性與穩(wěn)定性,而且可以作為性能優(yōu)異的ORR電催化劑。催化OER時(shí),催化劑達(dá)到10 mA cm-2時(shí)所需的過電位僅為320 mV,塔菲爾斜率值為62 mV dec-1。催化ORR時(shí),起始電壓為0.89 V,半波電位為0.81V,極限電流密度4.4 mA cm-2,經(jīng)計(jì)算電子轉(zhuǎn)移數(shù)n在3.8-3.9之間,揭示該催化劑催化ORR時(shí)O2被還原為OH-。本工作表明MOF衍生材料可作為雙功能電催化劑應(yīng)用于OER和ORR。3.N摻雜的介孔碳納米片/碳納米管復(fù)合材料的合成及其電催化劑水氧化和氧還原反應(yīng)性能的研究具有大比表面積和孔結(jié)構(gòu)的雜原子摻雜的碳材料具有杰出的電催化性能。本工作選擇無毒、價(jià)格低廉的生物質(zhì)葡萄糖作為碳前驅(qū)體,選擇N含量豐富的尿素作為氮源,采用一步高溫碳化法合成了N摻雜的介孔碳納米片/CNTs復(fù)合材料。該材料比表面積達(dá)到594.1 m2 g-1,N原子百分含量達(dá)到10.7%,其中吡啶N和石墨N含量占總N含量的69.3%。研究表明,CNTs嵌入在碳層間,不僅可以加速電子轉(zhuǎn)移,而且可以起到分隔的作用,抑制N摻雜的介孔納米片的聚集與堆疊,創(chuàng)造更多空間,利于傳質(zhì)與活性位點(diǎn)的暴露。同時(shí),CNTs與N摻雜的介孔納米片之間具有協(xié)同效應(yīng)。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明該材料不僅表現(xiàn)出卓越的OER性能,同時(shí)也具有不俗的ORR催化效果。4.超細(xì)小的Co2P納米顆粒嵌入在N,P雙摻雜的孔道碳納米片/碳納米管復(fù)合材料:高效的雙功能電催化劑用于水的裂解鈷基磷化物碳納米材料作為雙功能水裂解電催化劑受到廣泛研究,目前大部分工作主要采取碳化和磷化兩步驟來制備該類型催化劑,存在各種不足。本工作在以上第三部分工作中基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)合成了超細(xì)小Co2P納米顆粒嵌入的N,P雙摻雜的孔道碳納米片/碳納米管復(fù)合材料。磷酸的加入,不僅可以在碳化過程中形成嵌入在碳層中的超細(xì)小Co2P納米顆粒,而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳層原位N、P雙摻雜。研究表明,該型催化劑能充分暴露活性位點(diǎn),具有極大的電化學(xué)活性面積,不僅在OER中具有優(yōu)秀的催化性能,而且在酸性和堿性條件下,都可以有效地催化HER。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O643.36;TB383.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 袁頌東,袁靜玲;納米催化劑的制備及其在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用[J];湖北工學(xué)院學(xué)報(bào);2001年04期

2 張鶯;;納米催化劑的制備和最新應(yīng)用研究進(jìn)展[J];山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年04期

3 高昂;;納米催化劑顆粒的熱力學(xué)分析[J];才智;2010年19期

4 ;廈門大學(xué)研制成功甲醇燃料電池納米催化劑[J];精細(xì)化工原料及中間體;2010年04期

5 高紅,趙勇;納米材料及納米催化劑的制備[J];天津化工;2003年05期

6 呂玉光;如何用現(xiàn)代儀器表征納米催化劑[J];現(xiàn)代儀器;2005年03期

7 李敏;崔\~;;納米催化劑研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2006年S1期

8 ;稀土納米催化劑將用于節(jié)能減排[J];無機(jī)鹽工業(yè);2008年03期

9 張忠模;;稀土納米催化劑將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[J];功能材料信息;2008年02期

10 耀星;;稀土納米催化劑應(yīng)用通過鑒定[J];粉末冶金工業(yè);2008年05期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 姜艷霞;張斌偉;廖洪剛;陳明暉;孫世剛;;金和鉑納米催化劑的控制合成及其電催化性能[A];第十二屆固態(tài)化學(xué)與無機(jī)合成學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2012年

2 明軍;趙鳳玉;;超臨界二氧化碳中納米催化劑的形成過程及機(jī)理研究[A];第九屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會(huì)論文集[C];2012年

3 陳蓉;韓杰;郭榮;;金/導(dǎo)電高分子蛋黃/蛋殼結(jié)構(gòu)納米催化劑的合成及催化性能研究[A];中國化學(xué)會(huì)第十四屆膠體與界面化學(xué)會(huì)議論文摘要集-第1分會(huì)：表面界面與納米結(jié)構(gòu)材料[C];2013年

4 魯宋;王明貴;韓杰;郭榮;;磁性聚苯胺負(fù)載納米催化劑的合成及性能研究[A];中國化學(xué)會(huì)第十四屆膠體與界面化學(xué)會(huì)議論文摘要集-第1分會(huì)：表面界面與納米結(jié)構(gòu)材料[C];2013年

5 張成明;崔新江;鄧友全;石峰;;氯離子調(diào)控的高性能納米催化劑可控制備研究[A];第十四屆全國青年催化學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議論文集[C];2013年

6 王杰;王帥;萬穎;;限域納米催化劑熱穩(wěn)定性的研究[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第34分會(huì)：納米催化[C];2014年

7 周小春;Peng Chen;;單分子檢測(cè)技術(shù)在納米催化劑的大規(guī)模并行篩選中的應(yīng)用研究[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第32分會(huì)：納米表征與檢測(cè)技術(shù)[C];2014年

8 陸安慧;;炭基納米催化劑的設(shè)計(jì)合成[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第34分會(huì)：納米催化[C];2014年

9 曹建亮;袁忠勇;;用于催化一氧化碳低溫氧化的氧化銅基多孔納米催化劑體系[A];第六屆全國環(huán)境催化與環(huán)境材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2009年

10 胡守天;趙惠忠;李平和;李成香;汪厚植;;Ce-O-Co/ZrO_2納米催化劑的結(jié)構(gòu)及催化氧化CH_4性能的研究[A];納米材料和技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展——全國第三屆納米材料和技術(shù)應(yīng)用會(huì)議論文集（上卷）[C];2003年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前7條

1 江戰(zhàn);新型納米催化劑研制成功[N];中國有色金屬報(bào);2002年

2 閆明星　王群 記者 姜雪松;納米催化劑“水中取氫”[N];哈爾濱日?qǐng)?bào);2010年

3 林世雄邋本報(bào)記者 通訊員 李靜;納米催化劑合成的重大突破者[N];福建日?qǐng)?bào);2008年

4 叢林;纖維素水解技術(shù)取得新進(jìn)展[N];中國化工報(bào);2011年

5 記者 劉霞;新納米催化劑能在可見光下快速分解水[N];科技日?qǐng)?bào);2013年

6 鐘科;中科院三元催化轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)技術(shù)通過鑒定[N];中國有色金屬報(bào);2006年

7 特約記者 呼躍軍;清華大學(xué)與包頭聯(lián)合研發(fā)稀土材料[N];中國化工報(bào);2005年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 柏_g;基于表面電荷狀態(tài)調(diào)控的金屬基復(fù)合納米催化劑設(shè)計(jì)與可控合成[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

2 張澤武;金屬氧化物封裝Au納米催化劑的制備及性能研究[D];東南大學(xué);2015年

3 李超;一維磁性納米催化劑的制備及其有機(jī)染料降解性能研究[D];山東大學(xué);2016年

4 金仁喜;負(fù)載型貴金屬納米催化劑的制備及其性能研究[D];東北師范大學(xué);2016年

5 毛寶華;納米催化劑和能源器件表面化學(xué)性質(zhì)的原位研究[D];蘇州大學(xué);2016年

6 劉鵬龍;可見光響應(yīng)型金屬納米催化劑的設(shè)計(jì)合成及其在催化儲(chǔ)氫材料放氫中的應(yīng)用[D];內(nèi)蒙古大學(xué);2017年

7 魯文帥;納米催化劑原位打印的石英微熱板甲烷傳感陣列[D];清華大學(xué);2016年

8 李文江;具有溫控相移功能的貴金屬納米催化劑及其在催化反應(yīng)中的應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2016年

9 李晶;銅基納米催化劑的制備及在Rochow反應(yīng)中的催化性能研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所);2017年

10 張東慧;金屬—鐵酸鹽復(fù)合磁性納米催化劑的制備及催化性能研究[D];吉林大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 邱凱;二氧化鈦納米帶負(fù)載Au-Ag納米催化劑的制備及其性能研究[D];山東大學(xué);2015年

2 吳靜謐;CO低溫氧化高效Pd納米催化劑的制備與其性能研究[D];浙江大學(xué);2015年

3 劉慧芳;Pickering乳液/有機(jī)雙相體系用于水相加氫[D];山西大學(xué);2014年

4 蔣玉嬌;貴金屬納米催化劑的仿生調(diào)控制備及水相催化性能研究[D];天津科技大學(xué);2014年

5 朱偉偉;一鍋法制備脯氨酸基磁性納米催化劑及對(duì)非均相酰胺交換反應(yīng)的催化研究[D];蘭州大學(xué);2016年

6 劉宴升;負(fù)載型鈀納米催化劑的制備及其在加氫反應(yīng)中的應(yīng)用[D];蘭州大學(xué);2016年

7 張朕;靜電紡納米纖維負(fù)載貴金屬復(fù)合納米催化劑的制備及其催化性質(zhì)的研究[D];吉林大學(xué);2016年

8 石麗麗;聚合物單晶負(fù)載納米催化劑的研究[D];蘇州大學(xué);2016年

9 余燕云;磁性納米催化劑的制備、表征及其在Knoevenagel縮合反應(yīng)中的應(yīng)用研究[D];浙江大學(xué);2016年

10 郭印麗;Ag/TiO_2納米催化劑的制備及降解氯代苯酚的研究[D];長安大學(xué);2016年

，

本文編號(hào)：1332351