氮摻雜碳球材料的合成及其氧還原性能研究.pdf

1、燃料電池(Fuel Cells，F(xiàn)Cs)作為一種高效且環(huán)境友好的能源轉(zhuǎn)換方式，在汽車動力和家庭用電等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，是未來可持續(xù)能源體系發(fā)展的重要目標。到目前為止，鉑基催化劑仍是FCs陰極氧還原反應(yīng)(Oxygen Reduction Reaction,ORR)最常用的催化劑。但因其成本高和活性易衰減等問題而阻礙了FCs產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。最近，ORR催化材料的研究集中在降低或者替代鉑基催化劑和發(fā)展無金屬催化材料等方向上，氮摻雜碳基材料因

2、其對ORR的有效催化而引起研究者們的廣泛關(guān)注。本論文針對FCs新能源體系，以低成本和性能優(yōu)異的ORR催化材料為目標，探索發(fā)展簡單、綠色可行的方法來制備氮摻雜碳球材料并考察了其用于堿性條件下的ORR催化性能。此外，我們還考察了以氮摻雜介孔碳球材料作為貴金屬Pt載體后其在堿性條件下對ORR的催化性能，降低了Pt用量和提高了其利用率。本論文的主要工作如下:
　　(1)首次利用以易得、低廉的生物質(zhì)材料天麻為碳源和氮源合成了氮摻雜類網(wǎng)狀碳微

3、球材料。用掃描透射電鏡、比表面積分析儀和元素分析等對所制備的氮摻雜碳材料進行結(jié)構(gòu)以及組分表征。結(jié)果顯示，氮摻雜網(wǎng)狀碳微球具有無序狀以及表面豐富的中微孔結(jié)構(gòu)、高的比表面積（可達1721m2g-1）和大約3.07％的含氮量。電化學測試表明，氮摻雜類網(wǎng)狀碳微球在堿性條件下主要以直接4電子轉(zhuǎn)移過程進行并且展現(xiàn)出了高的催化活性、優(yōu)異的持久穩(wěn)定性和耐甲醇干擾性能以及抗一氧化碳(Carbon monoxide，CO)毒害能力，是一種性能優(yōu)良的具有可選

4、擇性的無金屬陰極ORR催化材料。
　　(2)基于廉價易得的生物質(zhì)為原料，使用不同的制備方法合成了一系列氮摻雜碳材料，對其ORR性能進行初步研究，隨后又考察了在材料性能相對較好的方法下，不同煅燒溫度制備產(chǎn)物以及催化活性等性能，并對其催化機理進行初步探討。研究發(fā)現(xiàn)，不同的制備工藝對材料的催化性能也是有較大的影響。隨著氮雜原子的摻入以及摻雜量的不同，石墨化碳骨架發(fā)生一定程度的變化，其所催化ORR也表現(xiàn)出不同的電子轉(zhuǎn)移歷程，初步推測可能與

5、氮原子的存在狀態(tài)有關(guān)。此外，與商業(yè)化的Pt/C相比，以水熱、活化和炭化方法結(jié)合所制備的氮摻雜碳材料表現(xiàn)出最接近直接4電子轉(zhuǎn)移過程，還展現(xiàn)出優(yōu)異的耐甲醇干擾、抗CO毒害性能以及具有較好的持久穩(wěn)定性，是一種非常有潛力的無金屬陰極ORR催化劑。
　　(3)在前期制備出氮摻雜介孔碳球研究工作的基礎(chǔ)上，通過一系列的結(jié)構(gòu)表征和電化學測試技術(shù)對鉑/氮摻雜介孔碳(Pt-m-N-C，8.7％Pt)復合材料的結(jié)構(gòu)組成和ORR性能進行了初步研究。在堿性

6、條件下，材料Pt-m-N-C不僅表現(xiàn)出比氮摻雜介孔碳球(m-N-C)高的催化活性;而且表現(xiàn)出較商業(yè)化Pt/C(20％Pt，JM)催化劑約1.6倍的比質(zhì)量活性、優(yōu)異的抗CO毒害能力和耐甲醇干擾能力以及持久穩(wěn)定性。這可歸因于鉑納米粒子(PtNPs)尺寸均一和分散度較高以及氮摻雜造成邊緣暴露，活性缺陷增多易于吸附氧分子;同時由于氮摻雜石墨化碳結(jié)構(gòu)后表面與Pt原子間的電子重疊或者鍵合對其具有鉚釘作用，從而減緩了PtNPs的氧化、團聚和遷移的結(jié)果