功能化非贵金属催化剂的制备及其电催化应用研究

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1、广东药科大学硕士研究生学位论文分类号：___________密级：__________UDC：___________功能化非贵金属催化剂的制备及其电催化应用研究姓名：许可镔学号：2111540001院系：药学院学位类型：学术学位专业：药物化学研究方向：电催化导师：田勇教授论文提交日期：2018年5月30日论文答辩日期：2018年5月18日学位授予单位：广东药科大学二〇一八年五月广东药科大学硕士研究生学位论文TheFabricationofFunctionalizedNon-PreciousMetalCatalystsandTheirApplicat

2、ionsinElecrocatalysisCandidate：KebinXuStudentID：2111540001Affiliation：SchoolofpharmacyAcademicDegreeApliedfor：MasterofMedicineSpeciality：PharmaceuticalchemistrySupervisor：Prof.YongTianAssistantSupervisor：Prof.LiguiLiDayofDefence：May2018Degree-Conferring-Institution：GuangdongPh

3、armaceuticalUniversityMay2018广东药科大学硕士研究生学位论文功能化非贵金属催化剂的制备及其电催化应用研究摘要氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）是质子交换膜燃料电池及可充电式金属-空气电池等清洁、高效的电化学能量转换与存储装置中涉及的两个关键的反应进程。这两个反应的电催化剂在很大程度上决定了相应电化学装置的能量转换效率和成本。传统上，贵金属铂（Pt）是ORR的优良电催化剂，而贵金属氧化物二氧化铱（IrO2）是OER的良好电催化剂。但贵金属的稀缺性和高昂的成本限制了其在电化学能量转换与存储器件中的大规模商业应用，因而非

4、常有必要开发具有高性价比的新一代电催化剂。本研究通过开发简便、高效、节能环保的制备方法，成功地合成出一系列成本低廉、催化活性高的催化材料，包括活性硫化亚铜（Cu2S）纳米棒、炭化的棉花负载ZIF-67和微波辅助合成的含氧空位二氧化锰（MnO2）纳米棒。同时，采用了扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱、比表面积分析仪和电化学工作站等仪器系统地研究了材料的催化性能与材料结构、成分之间的关系，为寻找易于制备、原料蕴藏丰富、成本低廉、环保的催化材料开辟了新思路、提供了有益的参考。本论文的主要内容概括如下：（1）以硝酸铜、还原石墨烯

5、、均苯三甲酸、硫脲和甲醛为原料，在室温条件下采用一步合成聚合物前驱体，再在惰性气体下通过高温煅烧得到活性Cu2S纳米棒。电化学测试结果分析表明Cu2S纳米棒对析氧反应具有优异的催化性能，其活性优于商业IrO2的催化性能。其活性主要归因于以下三方面的贡献：（I）合成过程中均苯三甲酸对棒状结构具有活化作用，促进了析氧反应活性的提升；（II）还原石墨烯能够显著增强材料的导电性，促进合成棒状结构，提高电化学性能；（III）煅烧温度的提升，石墨化程度增大，更好地合成棒状结构。因此，活性棒状结构是提高电化学性能的关键。（2）以硝酸钴和2-甲基咪唑以及脱脂棉花为

6、原料，一步合成了负载I广东药科大学硕士研究生学位论文在棉花上的ZIF-67纳米晶，然后经高温热处理得到负载在棉花上的金属有机框架炭化物MOF-C-T。通过研究一系列在不同煅烧温度下制备的MOF-C-T样品的电催化性能，发现在900°C煅烧温度下制备得到样品的催化ORR时的起始电位、极限电流最高。另外，其催化稳定性和抗甲醇毒化能力甚至优于商业用Pt/C催化剂。这些优异的催化性能主要归功于棉花炭纤维上的高氮含量和丰富的介孔结构的协同作用。（3）本研究通过水热法合成α-MnO2纳米棒，然后采用简捷的微波加热取代传统的煅烧过程对其进行热处理，成功合成了具有

7、氧空位的MnO2纳米棒，本研究系统探讨了微波加热反应时间对材料氧还原性能的影响。对比实验证明：经30min的微波加热处理后，MnO2样品催化ORR的极化曲线中的起始电位及极限电流均最高，其值接近商业Pt/C的性能，而催化稳定性及抗毒化能力远远优于商业Pt/C催化剂。通过一系列的结4+构表征，我们发现其氧还原性能的提高来源于氧空位和Mn离子的协同作用。关键词：非贵金属催化剂；氧还原反应；析氧反应；电催化活性II广东药科大学硕士研究生学位论文TheFabricationofFunctionalizedNon-PreciousMetalCatalysts

8、andTheirApplicationsinElecrocatalysisABSTRACTOxygenreductionr