鈷碳納米復(fù)合材料的設(shè)計(jì)合成及其在氧電催化領(lǐng)域中的應(yīng)用.pdf

1、隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，對于能源的需求和環(huán)境的要求日益迫切，而寶貴的化石資源（石油、天然氣、煤炭等）作為燃料燃燒不僅造成了巨大的浪費(fèi)，而且會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境。因此，開發(fā)新的能源形式就成為了人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要點(diǎn)。就目前而言，風(fēng)能、太陽能、潮汐能等新型綠色、可循環(huán)能源形式受到廣泛的關(guān)注，具有巨大的應(yīng)用潛力，但是依舊會(huì)面臨地域、天氣氣候變化等問題的挑戰(zhàn)，因此需要新的能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換形式將能源的應(yīng)用范圍進(jìn)行拓展，提高能源的利用效率。在這些新型裝

2、置中，燃料電池以及可充放電的金屬-空氣電池是兩種備受關(guān)注的方式，但受限于稀有金屬催化劑的使用等因素造成價(jià)格高昂，一直未能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化推廣應(yīng)用。因此，發(fā)展經(jīng)濟(jì)高效的催化劑，降低成本成為了推動(dòng)燃料電池和金屬-空氣電池實(shí)用化、規(guī)?；闹攸c(diǎn)所在。
　　論文作者致力于以納米碳材料（碳納米管、石墨烯等）為基礎(chǔ)，通過與其他成分/材料的復(fù)合以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)，探索開發(fā)具有高性能、低成本特性的納米復(fù)合材料，并應(yīng)用于能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換裝置。另外，本文中提出的納米

3、碳材料基復(fù)合材料的制備、表征以及結(jié)構(gòu)探索可為該領(lǐng)域的研究工作提供一定的參考價(jià)值。本論文將從以下四個(gè)方面對作者的研究工作進(jìn)行展開和說明:
　　1、以雙氰胺同時(shí)為碳源和氮源，使用鈷鹽作為催化劑，將二者混合研磨，在高溫管式爐中煅燒，酸洗后得到包裹鈷納米顆粒的N摻碳納米管復(fù)合材料(Co@NCNT)。本課題通過優(yōu)化溫度以及催化劑的選擇，發(fā)現(xiàn)700攝氏度條件下制備的Co@NCNT具有比Ni，F(xiàn)e基催化劑得到的材料在氧還原(ORR)和氧析出(O

4、ER)反應(yīng)的催化中具備更好的電化學(xué)效能，其雙功能特性也優(yōu)于文獻(xiàn)上所報(bào)道的其他一些材料。在鋅-空氣電池評價(jià)中，作者發(fā)現(xiàn)相較于昂貴的Pt/C材料，Co@NCNT展現(xiàn)了更好的持續(xù)穩(wěn)定性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
　　2、于導(dǎo)電基底碳紙上生長氧化鈷(CoOx)的前驅(qū)體陣列，通過粘稠的DMF溶液將PVDF覆蓋于其表面，在Ar氣保護(hù)的氛圍與雙氰胺存在的情況下對進(jìn)行高溫?zé)峤猓@得多孔氮摻雜碳包覆的氧化鈷(CoOx@NC)陣列。氧化鈷具有一定的OER

5、和ORR性能，多孔碳的包覆有利于提升陣列表面的導(dǎo)電性，降低電子轉(zhuǎn)移阻抗;與此同時(shí)，氮摻雜碳兼具一定的OER和ORR活性。二者的協(xié)同作用很好地增強(qiáng)了CoOx@NC陣列在這兩個(gè)過程的電催化反應(yīng)活性。該陣列可以直接用作鋅-空氣電池中氧電池，避免了不必要的添加劑的引入，表現(xiàn)了良好的性能和超越Pt/C、IrO2/C的充放電穩(wěn)定性。
　　3、在氧化石墨烯上生長金屬-有機(jī)框架材料(ZIF-67)，進(jìn)一步引入Ni，通過氬氣氛圍下的高溫煅燒之后在空

6、氣中處理，獲得了負(fù)載著鎳鈷氧化物的Co、N修飾石墨烯的復(fù)合物。研究結(jié)果表明，石墨烯的引入較大程度的降低了電化學(xué)反應(yīng)阻抗，提高了電化學(xué)比表面積和BET比表面積，有效地提升了ORR和OER反應(yīng)活性;Ni元素的加入形成了鎳鈷氧化物，在保持相近的ORR性能的同時(shí)，高效地改善了其OER電催化活性。
　　4、以ZIF-67模板，在氬氣氛圍下引入含氮和碳的小分子，再經(jīng)過磷化，得到鈷/磷化鈷(Co/CoP)嵌入于碳納米管/空心碳多級結(jié)構(gòu)的復(fù)合物。