中空炭材料的制備及其氧還原反應(yīng)性能研究.pdf

1、在過去的幾十年里，由于在能源儲存與轉(zhuǎn)化、吸附及催化等方面的廣泛應(yīng)用，多孔炭材料的設(shè)計和制備取得了長足的發(fā)展。其中，中空炭材料由于具有獨特的核殼結(jié)構(gòu)、密度低及導(dǎo)電性好等優(yōu)勢，受到了人們廣泛的關(guān)注和研究。通過原位摻雜氮元素可以改善中空炭材料的理化性質(zhì)，提高其堿度、導(dǎo)電性、催化劑活性、氧化穩(wěn)定性等性質(zhì)。燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能源轉(zhuǎn)化裝置，由于其綠色性和連續(xù)性而得到大力的發(fā)展，其陰極材料以Pt基催化劑為主流

2、，然而受到成本高、易受甲醇中毒及自然資源有限的制約，導(dǎo)致無法大規(guī)模使用。因此，開發(fā)新型催化劑體系，如無金屬催化劑（包括氮摻雜的炭材料），是目前研究的熱點。
　　首先，由于離子液體具有熔點低、熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、蒸汽壓低等優(yōu)勢，我們選用離子液體同時作為碳源和氮源，制備得到氮摻雜的中空炭半球。該材料的氮含量高達10.9 wt.％，壁厚度很薄(～8 nm)，并且石墨化程度較高。引入氮元素之后，由于氮的電負性比較強，使相鄰的碳原子帶上負電荷，

3、形成了活性中心，促進了對氧氣分子的吸附，同時減弱了氧氣分子之間的鍵能，因此氮摻雜的中空炭半球具有氧還原活性。將其作為無金屬催化劑，應(yīng)用于氧還原反應(yīng)（堿性條件下），與商用20 wt.％ Pt/C相比較，具有運行穩(wěn)定性強、抗甲醇中毒等優(yōu)勢，是下一代甲醇燃料電池的理想電極材料。
　　接下來，考慮到可持續(xù)發(fā)展與綠色化學(xué)的要求，我們利用生物質(zhì)原料同時作為碳源和氮源，實心核-無序介孔殼硅球作模板，制備得到氮摻雜的中空炭球。中空炭球的比表面積高

4、達770 m2 g-1，直徑(～450-50 nm)和殼厚度(～75-10 nm)可控，并且具有內(nèi)連的大孔和介孔結(jié)構(gòu)。將其作為無金屬催化劑，應(yīng)用于氧還原反應(yīng)，在堿性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化氧還原活性，即使在酸性條件下，該材料也表現(xiàn)出一定的電催化氧還原活性，說明該炭材料具有較好的應(yīng)用前景。
　　總的來說，本論文利用離子液體和生物質(zhì)原料作為碳源，合成了功能化的中空炭材料，作為燃料電池的電極材料，效果良好，為后繼工作者設(shè)計中空炭材料提供