多孔掺杂类石墨烯碳材料的制备及其氧还原性能研究

《多孔掺杂类石墨烯碳材料的制备及其氧还原性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、学校代码：１１６５８学号：２０１５２０７０３００１４分类号：Ｏ６２９密级：无ＨＡＩＮＡＮＮＯＲＭ＼１．ｒＭＶＫＲＳＩＴＹ硕士学位论文多孔掺杂类石墨烯碳材料的制备及其氧还原性能研究作者姓名蒋晓薇学科专业研究方向无机合成与芾丨制备指导教师华英杰教授、游诚航副教授申请学位类别理学硕士提交日期二〇一八年四月ThePreparationandtheOxygenElectroreductionPerformanceofPorousDopedGraphene-likeCarbonMaterialsADissertationSubmitted

2、fortheDegreeofMasterCandidate:JiangXiaoweiSupervisor:Pro.HuaYingjiePro.YouChenghangHainanNormalUniversityHaikou,China摘要燃料电池是一类非常具有潜力的能源储存和转换系统，然而其阴极氧还原反应(OxygenReductionReaction,ORR)的动力学过程十分缓慢，因此需要高性能的ORR催化剂来加速阴极ORR反应。截止目前，金属Pt催化剂仍然是用得最广泛的催化剂，但其高昂的成本也是限制燃料电池大规模商业化应用的重要原因之一。因此，开发廉价高效的ORR催化剂代

3、替传统Pt基催化剂对燃料电池的商业化进程意义重大。当前已得到的ORR催化材料中，碳具有较好的ORR催化活性，同时碳还具有来源广泛、价格低廉等优点，受到了广泛的关注，并成为新能源领域中最为热门的研究方向之一。在过去的一些年中，碳基ORR催化剂取得了巨大的进展，但仍然无法满足燃料电池的实际需要。本文以丙烯腈为原料，通过聚合、掺杂、热解等过程制备不同组成的多孔掺杂类石墨烯ORR催化剂，并对它们的催化性能进行了研究。(1)以聚丙烯腈为前驱体，以升华硫为硫源，以二氧化硅为模板制备具有超高比表面2-1积(1060m﹒g)的氮、硫共掺杂的，高比表面积的均匀空心碳纳米球。该催化剂表现出了优异

4、的ORR催化性能、四电子催化路径的选择性、甲醇耐受性及稳定性。通过分析添加硫的影响，我们发现，掺杂硫的量对于形成均匀的纳米球形态以及高度多孔的结构和高比表面积至关重要。此外，还发现掺杂硫可以通过增加总氮含量和吡啶氮含量，同时减少氧化氮的含量有效地改变催化剂的原子组成。硫的加入引起的催化剂结构和组成上的独特变化是我们所制备的催化剂具有优异ORR催化性能的重要原因。(2)以聚丙烯腈为前驱体，以升华硫为硫源，以氧化锌为模板，采用一步热处理制备了氮、硫共掺杂的，高比表面积的多孔类石墨烯ORR催化剂，并研究硫的掺杂对催化剂结构和性能的影响。该催化剂在碱性溶液中表现出较好的ORR性能，其

5、中部电位高出商业Pt/C催化剂32mV。除了优异的催化性能，该催化剂还具有比Pt/C催化剂好的稳定性、甲醇耐受性及接近100%的四电子催化过程选择性。通过研究催化剂的理化性质与氧还原催化性能之间的关联，我们发现，硫的引入使催化剂的元素组成、结构以及形貌都发生了明显的变化，而这些变化是引起催化剂表现优异ORR性能的重要原因。(3)以聚丙烯腈为前驱体，红磷作为磷源，氧化锌为模板制备了氮、磷共掺杂的高比2-1表面积(1057.9m﹒g)多孔类石墨烯ORR催化剂。该催化剂显示出了优异的ORR性能，其中部电位高出商业Pt/C催化剂35mV。除了较好的催化性能外，我们的催化剂还具有I显著

6、的甲醇耐受性，出色的稳定性以及四电子路径的高选择性。此外，我们还发现，适量磷的引入可以显著改变催化剂氮的组成，以及多孔结构，我们认为这应该是催化剂性能优异的原因。关键词：聚丙烯腈；共掺杂；多孔类石墨烯；氧还原；碳基非金属催化剂IIAbstractProtonexchangemembranefuelcell(PEMFC)isakindofverypotentialenergyconversionsystem.Sincethesluggishkineticprocessoftheoxygenreductionreactioninthecathode.Highperformance

7、ORRcatalystisstronglyneeded.Todate,PtbasedcatalystsarestillthemostwidelyusedORRcatalysts,however,theirhighcostalsoseriouslypreventtheircommercialization.Therefore,developinglow-costandhigh-performanceORRcatalysttosubstitutetraditionalPt-basedcatalystwill