氮掺杂碳基材料的制备及其电催化氧还原性能研究.pdf

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1、分类号：密级：公开学号：2015210585单位代码：10759石河子大学硕士学位论文氮掺杂碳基材料的制备及其电催化氧还原性能研究学位申请人王一庆指导教师郭旭虹教授申请学位类别工程硕士专业名称化学工程研究领域电催化所在学院化学化工学院中国·新疆·石河子2018年5月PreparationofTheNitride-dopedCarbon-basedmaterialsandTheirElectrocatalysistowardOxygenReductionReactionADissertationSubmittedtoShiheziUniv

2、ersityInPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringByWangYiqing(ChemicalEngineering)DissertationSupervisor:Prof.GuoXu-hongMay,2018摘要燃料电池成本较高，其中一个很重要的原因是使用了昂贵的铂作为催化剂，使得燃料电池的发展面临巨大的挑战。寻找可替代的催化剂来降低燃料电池的制造成本至关重要。本论文以制备方法简单，绿色为原则，制备了四种以氮掺杂为基础的氧还原反应（OR

3、R）催化剂。通过X射线衍射（XRD）,比表面积分析（BET）、傅里叶红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱分析(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、高倍透射电镜(HRTEM)等表征，对材料进行深入地了解与解释说明，通过电化学测试的方法，对所得到的理想的ORR催化剂及相关材料进行性能表征。（1）氮掺杂氧化石墨烯材料(N-PEGO)。N-PEGO是通过快速有效的介质阻挡放电（DBD）等离子体技术获得。等离子体的处理实现了氧化石墨烯的剥离和掺杂，符合“胀破-碰撞”机理。碳酸铵进入氧化石墨烯插层，在DBD等离子体处理过程中迅速产生NH3和CO

4、2气体并快速释放，从而使氧化石墨烯得以剥离（＜4层）。此外，等离子体处理实现了氮元素的掺杂（5.26%），有利于提高氧还原反应（ORR）催化性能。得到的氮掺杂的氧化石墨烯的起始电位接近于商业铂碳催化剂，达到0.89Vvs.RHE，该催化剂具有较好的稳定性。这种快速有效的一步掺杂和剥离的制备技术在催化剂工业规模的制备过程中具有巨大应用潜能。（2）氮掺杂生物质基活性碳材料。利用（1）中的制备方法，氮元素的掺杂量达到2.7at%，使得2−1柚子皮基活性炭PPAC的电催化活性明显提升。此外，催化剂比表面积达到1789.17mg，暴露了更多的催化

5、活性位点。由此方法制备的氮掺杂柚子皮基活性碳材料N-PPAC不仅表现出较好的起始电位（0.90Vvs.RHE），接近于商业Pt/C，同时表现出优异的电催化稳定性和抗甲醇性能。该工作进一步说明了利用低温等离子体对一般碳材料同样能实现氮掺杂。（3）氮，硫共掺杂生物质基多孔碳材料。生物质材料香蕉皮做为碳源制备多孔碳，模拟的染料废水中的偶氮染料做为氮硫源。香蕉皮基碳材料作为吸附剂，吸附染料后碳化，材料的比表面积大幅增加，氮元素与硫元素的含量有所增大，其中氮元素的含量达到2.84at.%。由BPPC吸附的MO后在高温下碳化成功地合成了杂原子掺杂的

6、多孔碳并用于氧还原反应。氮，硫共掺杂香蕉皮基多孔碳材料BPPC-MO50在所制备的碳基电催化剂中显示出最高的ORR起始电位，达到0.93Vvs.RHE。BPPC-MO50具有较强的稳定性。通过将吸附染料饱和的多孔碳材料转变成有效电催化材料，并且在燃料电池阴极得以应用。（4）氮，铁共掺杂生物质基多孔碳材料。该催化剂由氮掺杂柚子皮基多孔碳N-PPC和碳包覆的Fe2N纳米颗粒组成。碳包覆的Fe2N纳米颗粒提供了大量的催化活性位点。所获得的氮，铁共掺杂柚子皮基多孔碳Fe2N/N-PPC在0.1MKOH的碱性电解质中显示出优异的起始电位和半波电位

7、（分别为0.966和0.891V），该催化剂符合四电子转移机理。Fe2N/N-PPC也表现出比20%商业铂碳催化2-1剂更好的稳定性和抗甲醇性能。Fe2N/N-PPC优异的氧还原性能归因于高的比表面积（1103.90m·g）和Fe2N纳米颗粒的协同效应。利用农业废弃物作为前驱体制备的Fe2N/N-PPC成为理想的基于氮掺杂的氧还原反应非贵金属催化剂。关键词:氮掺杂；碳材料；制备方法；电催化；氧还原反应IAbstractOneofthemostimportantreasonsforthehighcostoffuelcellsistouse

8、expensiveplatinumcatalysts,whichgreatlyhindersthewidespreaduseoffuelcells.Itisessentialtofindalternativ