鎢、硼、氮摻雜改性納米碳纖維及其氧還原活性的研究.pdf

1、陰極上氧還原反應(yīng)對(duì)于燃料電池的性能具有非常重要的作用。最常用的氧還原催化劑是鉑催化劑，但鉑的價(jià)格昂貴且容易失活，從而極大地限制了鉑催化劑的商業(yè)化應(yīng)用。本論文旨在開發(fā)一種成本低廉、活性高、穩(wěn)定性好的新型氧還原催化劑。
　　已有報(bào)道表明，碳材料具有一定的氧還原性能，對(duì)碳材料進(jìn)行摻雜能夠顯著提高其催化活性。本論文基于靜電紡絲技術(shù)制備碳納米纖維，采用鎢、硼、氮等進(jìn)行摻雜得到改性后的碳納米纖維，運(yùn)用SEM/EDX、XRD、Raman、FTI

2、R、XPS等表征手段對(duì)樣品的形貌、成分和微觀結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了較為系統(tǒng)地測(cè)試分析，并使用循環(huán)伏安法和旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極等電化學(xué)方法對(duì)樣品的氧還原活性進(jìn)行了測(cè)試。
　　首先考察了鎢摻雜對(duì)碳納米纖維的影響。引入鎢是為了在碳納米纖維中形成碳化鎢，因碳化鎢具有類似于鉑的電子結(jié)構(gòu)，有可能提高碳納米纖維的催化性能。在電紡聚丙烯腈纖維表面浸漬包覆偏鎢酸銨，經(jīng)過高溫碳化處理后制得碳化鎢/碳復(fù)合納米纖維，顯示出一定的氧還原催化性能，但活性不太理想。
　　

3、其次，本論文著重考察了氮摻雜對(duì)碳納米碳纖維的影響。研究發(fā)現(xiàn)，熱處理所用氣氛對(duì)碳纖維具有顯著影響，表現(xiàn)在 NH3處理得到的碳纖維，其直徑發(fā)生顯著縮減，可以縮減90％以上。本論文所得的氮摻雜的碳納米纖維的平均直徑可達(dá)20nm以下。這是公開文獻(xiàn)中采用靜電紡絲法所制備的平均直徑最細(xì)的碳纖維材料。而在相同的熱處理溫度下，使用N2所得碳納米纖維的直徑在150nm左右。NH3氣氛處理得到的氮摻雜的納米纖維顯示出優(yōu)異的氧還原活性，當(dāng)處理溫度從600℃增

4、加至1000℃時(shí)，催化劑在氧還原反應(yīng)中的峰電流強(qiáng)度增加約30倍。N2處理得到的氮摻雜碳納米纖維的活性遠(yuǎn)低于NH3。XPS的結(jié)果表明，NH3處理時(shí)，氮的摻雜更易以吡啶氮的形式存在，而N2處理則形成吡咯氮。吡啶氮有可能是氧還原反應(yīng)的活性中心，因此 NH3處理得到的氮摻雜碳納米纖維的活性較好。本研究中得到的活性最高的樣品，在氧氣飽和的0.1M KOH溶液中，以10mv/s的掃描速度得到的循環(huán)伏安法曲線，其峰電位在-0.17V，起始電位-0.0