N、Fe摻雜碳基材料的制備及其催化氧還原反應(yīng)性能研究.pdf

1、近年來，隨著社會的發(fā)展，人類對于傳統(tǒng)化石能源的過度使用，由此導(dǎo)致的兩個問題日益突出:一方面，有限的化石能源隨著人類的長期開挖瀕臨匱乏，無法長久的支撐人類的生產(chǎn)生活需求;另一方面，化石能源帶來的污染問題，使得人類的生存環(huán)境日趨惡劣。因此，人們迫切需要開發(fā)一種環(huán)境友好、能量密度高而且具有期穩(wěn)定的能源供應(yīng)物來替代傳統(tǒng)的化石能源。燃料電池由于其高的能量轉(zhuǎn)換效率和低的排放量成為最具吸引力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。在燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)中，陰極的氧還原反應(yīng)是

2、整個電池工作的關(guān)鍵控制步驟。然而氧還原反應(yīng)的動力學(xué)反應(yīng)非常緩慢，常常需要引入催化劑來加速氧還原反應(yīng);就目前而言，催化劑主要還是依賴于貴金屬鉑，然而催化劑中所需鉑的高負(fù)載量及其材料本身的稀缺性成為了阻礙燃料電池發(fā)展的瓶頸。因此開發(fā)一種新型高效且價格低廉的催化劑來替代目前的Pt基催化劑成為燃料電池商業(yè)化發(fā)展至關(guān)重要的因素。在這個理念下，研究者對于開發(fā)新型催化劑進行了密集的研究。碳基材料和過渡金屬基材料由于其價格低廉和良好的抗甲醇毒性被認(rèn)為最

3、有希望替代Pt的催化劑材料，引起了研究者的廣泛關(guān)注。
　　本論文在深入研究國內(nèi)外碳基材料和過渡金屬基材料發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計更為簡單高效的方法制備出了集中碳基/過渡金屬基氧還原反應(yīng)催化材料，實驗采用多種測試手段對合成的催化材料進行表征，研究其在氧還原反應(yīng)中的催化效果。具體的研究結(jié)果如下:
　　1.提供一種新的以廢棄的香蕉皮為生物質(zhì)衍生碳材料的策略來合成多孔納米片狀復(fù)合物(N-BPDC-H3PO4)。香蕉皮在高壓反應(yīng)釜中與H

4、3PO4混合進行水熱反應(yīng)后冷凍干燥，并在氨氣的氛圍中進行高溫碳化。典型產(chǎn)物(N-BPDC-H3PO4-1000)的N含量為2.94％（原子比），比表面積高達1401 m2/g。將其作為氧還原反應(yīng)的催化劑時，在堿性介質(zhì)中其測試結(jié)果表明N-BPDC-H3PO4-1000的極限擴散電流為5.30 mA/cm2，與Pt/C的極限擴散電流(5.52 mA/cm2)很接近。有趣的時，電壓在-0.591 V和-0.481 V之間時，N-BPDC-H3

5、PO4-1000的擴散電流甚至超過了Pt/C。而且不論在堿性介質(zhì)還是在酸性介質(zhì)中，N-BPDC-H3PO4-1000都表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗甲醇毒性和長期的循環(huán)穩(wěn)定性。更重要的是，這項工作很好的為廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袃r值的功能化材料展示了一個很好的示例，同時處理的廢棄物有利于環(huán)境凈化。
　　2.通過再利用廢棄的柚子皮為生物質(zhì)衍生的碳源，采用一種簡單且環(huán)境友好的策略合成了N摻雜的分層多孔碳材料/還原的氧化石墨烯(N-HPC/RGO)復(fù)合物。這

6、種方法綠色、低成本而且在制備過程中沒有使用任何的酸性或者堿性活化劑。典型產(chǎn)物(N-HPC/RGO-1)的N含量高達5.96％（原子比），其比表面積為1194 m2/g。電化學(xué)測量結(jié)果顯示，N-HPC/RGO-1在酸性和堿性介質(zhì)中，不僅表現(xiàn)出較正的起始電位和較高的極限擴散電流，而且也展現(xiàn)出較為可觀的抗甲醇毒性和長期循環(huán)穩(wěn)定性。此外，在催化劑的作用下，氧氣在還原反應(yīng)過程中的電子轉(zhuǎn)移數(shù)接近4，表明氧氣主要是通過四電子反應(yīng)路徑被還原。N-HPC

7、/RGO-1的優(yōu)異催化氧還原性能主要是由于材料本身固有的交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)合、RGO的良好電導(dǎo)率以及雜原子N摻雜協(xié)同作用的結(jié)果。
　　3.以三聚氰胺和二茂鐵為原料，以乙醇為溶劑實現(xiàn)原料的均勻混合，經(jīng)過溶劑蒸發(fā)以及后續(xù)的兩步煅燒后制備出不同含氮量和含鐵量的雙摻雜的碳納米管復(fù)合材料(Fe2.5C/N-CNT)。由石墨化碳層保護的Fe、Fe25C納米粒子，不僅是氧還原反應(yīng)的有效活性位點，同時也能在酸性和堿性介質(zhì)中保持化學(xué)穩(wěn)定性，保證了材料的長期