氮掺杂多孔碳材料的催化氧还原性能、机理及应用研究

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1、学校代码：10255学号：2141236东华大学硕士学位论文AThesisSubmittedtoDonghuaUniversityfortheMaster’sDegree氮掺杂多孔碳材料的催化氧还原性能、机理及应用研究STUDYONELECTROCATALYTICACTIVITYANDAPPLICATIONOFNITROGEN–DOPEDPOROUSCARBONMATERIALSFORCATALYTICOXYGENREDUCTION学科专业:环境科学作者:张恩光指导教师:乔锦丽答辩日期:2017年2月21日东华大学硕士学位论文答辩评审委员会名单姓名职称职务工作单位备

2、注刘予宇教授答辩委员会主席上海大学吴状春教授答辩委员会委员东华大学宋燕西副教授答辩委员会委员东华大学贺振江讲师答辩委员会秘书东华大学东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校

3、保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日氮掺杂多孔碳材料的催化氧还原性能、机理及应用研究氮掺杂多孔碳材料的催化氧还原性能、机理及应用研究摘要近年来，伴随着全球经济的快速发展，相应的问题也暴露出来，其中能源短缺和环境污染两个问题尤为突出。纵览各种形式的新型能源，燃料电池以其高效率的能量转换、产物对环

4、境无污染等优势崭露头角。燃料电池因多方面的因素限制，发展缓慢，其中最关键的因素是阴极氧还原反应催化剂的开发，现今商业化的氧还原催化剂主要是铂基催化剂，但是铂基催化剂价格不菲、容易中毒，并且在工作时的稳定性不好，因此铂基催化剂不利于燃料电池的长远发展。开发价格低廉、高催化活性、高稳定性的催化剂是燃料电池发展的首要任务。在众多非贵催化剂中，多孔碳材料，由于其具有超高的比表面积，并且孔径和形貌可控，是氧还原催化剂的有力竞争者，因而受到研究者们的关注。但是当其单独做为催化剂时催化活性较低，因此把其单独做催化剂不是很现实。近几十年来，关于过渡金属、杂原子杂化的介孔碳的报道层出

5、不穷，成为研究热点。其主要原理是基于原子的杂化掺杂改变了碳原子的电子云分布，使氧气容易被碳材料所吸附从而提高介孔碳的氧还原催化性能。在众多原子杂化的多孔碳材料中，氮掺杂被报道的最多，然而，催化剂的活性多局限于碱性一种介质中，在酸性、碱性介质中同时具有高催化活性、高稳定性的催化剂则为数不多，特别是关于燃料电池的发电性能的研究更为缺乏。因此制备出在碱性介质，同时在酸碱介质中均表现出高催化活性、高稳定性同时具有良好发电性能的氧还原催化剂意义非常重大。本论文旨在构建一种具有高稳定、高效率的新型氮掺杂多孔碳氧还原（ORR）催化剂。该催化剂采用价格低廉、来源广泛的小分子化合物作

6、为氮源和碳源，制备简单、价态稳定的过渡金属盐,运用自制模板二氧化硅使用硬模板法制备高稳定、高效率的多孔碳氧还原催化剂。运用电化学技术线性扫描（LSV）、循环伏安法（CV）、旋转圆盘电极技术（REDE）和时间-电流曲线（i-t）等研究了催化剂的性能与初级制备参数，如前驱体种类、高温碳化温度、模板剂、二次处理对介孔碳材料氧还原催化性能以及氧还原反应动力学的的影响。采用物理和化学的表征技术，微观形态表征：透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜(SEM)；元素分析技术：X射线光电子能谱(XPS)和X-射线粉末衍射(XRD)、低温氮气吸I氮掺杂多孔碳材料的催化氧还原性能、机

7、理及应用研究脱附曲线、以及电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP)等物理化学光谱表征技术对催化剂的微观形态结构、成分以及表面化学结构等做了较为详尽的探索研究，并针对催化剂活性位点的组成、结构对催化剂性能的影响，以及作为阴极催化剂在燃料电池和金属空气电池中的初步发电性进行了研究，，结论如下：（1）以壳聚糖为前驱体，分别在700℃、800℃、900℃温度条件下高温热解制得催化剂，初步探索高温热解温度催化剂催化氧还原性能的影响，结果显示，在800℃碳化条件下，性能表现最佳，并且催化氧还原反应过程中的过氧化氢产率低，催化剂稳定性高，四电子途径更彻底，动力学反应更快；（2）