生物源前體制備摻氮碳材料及其在電催化反應中的應用.pdf

1、催化劑是燃料電池的最重要組成部分。然而，燃料電池不能實現(xiàn)商業(yè)化，其主要原因是使用鉑催化劑所引起的成本高昂、穩(wěn)定性不佳的問題。因此，研究成本低、活性高的催化劑是實現(xiàn)燃料電池商業(yè)化的必然選擇。目前，燃料電池催化劑的研究主要集中在發(fā)展新型催化劑以降低或者替代鉑基催化劑。其中，摻氮碳材料是近幾年來研究的熱點。而采用來源豐富、可再生的生物源材料制備摻氮碳材料方面的研究相對較少。
　　本論文主要用生物源前驅體對碳材料進行改性或直接制備含氮碳材

2、料，將其用作催化劑載體或非貴金屬催化劑，并應用于醇類催化氧化或氧還原反應中。采用拉曼(Raman)、X射線粉衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)、X光電子能普(XPS)等技術對制備的材料進行了結構表征。采用循環(huán)伏安(CV)、線性掃描(LSV)、計時電流(CA)等電化學方法對催化劑催化醇類氧化和氧還原反應的活性進行了評估。具體包括三個部分：
　　第一部分碳化鄰菲羅啉修飾碳載體負載Pd3Ni納米粒子作為高性能催化劑催化甲醇氧化
　

3、　為使摻氮碳載體材料與合金的優(yōu)勢結合在一起，通過直接碳化鄰菲羅啉和碳粉混合物，得到摻氮碳材料(PMC)，并用其負載Pd3Ni納米粒子。制備得到的Pd3Ni/PMC催化劑應用于催化甲醇氧化反應(MOR)。采用XRD、TEM、XPS測試手段對Pd3Ni/PMC進行了結構表征。由于氮修飾的碳載體以及與Pd形成合金的Ni的作用，電化學測試表明，與Pd/C和Pd/PMC相比較，Pd3Ni/PMC在催化甲醇氧化時表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性。研究動

4、力學發(fā)現(xiàn)，Pd3Ni/PMC催化反應的活化能僅僅是Pd/C的一半。
　　第二部分核黃素制備摻氮碳載體負載鈀應用于乙二醇氧化反應
　　以生物源材料核黃素作氮源，將核黃素用硫酸初步碳化，然后通過加熱碳化得到摻氮碳材料負載Pd納米粒子(Pd/R-C)。結構表征表明，由于載體中氮原子的引入，有效地改善了Pd納米粒子的粒徑和分散性。Pd/R-C用于催化堿性介質中的乙二醇氧化(EGOR)發(fā)現(xiàn)，該催化劑具有優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性。進一步對Pd

5、/R-C催化劑在不同溫度，不同掃速以及不同的電解質中對EGOR反應的影響及相關催化反應機理也進行了討論。
　　第三部分殼聚糖制備摻氮碳基催化劑及其在氧還原反應中的應用
　　以價廉易得的生物源物質殼聚糖作氮源，酚醛樹脂作碳源。碳化兩者的混合物，通過酸處理后得到一系列不同碳氮比例的碳基催化劑CN(m:n)并直接應用于催化堿性介質中的氧還原反應(ORR)。ORR性能測試表明，催化劑CN(2:7)表現(xiàn)出最好的催化活性。與商業(yè)Pt/C