氮掺杂碳纳米片的制备及其在酸碱介质中氧还原催化性能

摘要

目前商业用燃料电池阴极氧还原（ ORR）催化剂为贵金属Pt/C或铂合金，但其存在高成本和低稳定性等缺点，因此寻求廉价、高效、稳定的非贵金属催化剂已成为燃料电池研究的主要目标之一。高温热处理得到的氮掺杂碳材料或氮掺杂碳材料负载过渡金属纳米颗粒类非贵金属催化剂因具有良好的氧还原催化活性而受到广泛重视。本文采用简单热解法制备了一系列氮掺杂碳纳米片氧还原催化剂，并对其进行了形貌结构表征和电催化性能评价，主要研究内容和结论如下：
　　1、以资源丰富廉价的玉米淀粉和尿素为原料采用改进的简单高温热解法制备了氮掺杂碳纳米片系列燃料电池的阴极氧还原催化剂NC N。研究了样品制备工艺中热解温度对OR R催化活性的影响，NC N在酸性和碱性介质中均表现出优异的电催化活性（在0.1 M KOH中其ORR半波电位为-0.15V和商业Pt/C相同），并且其耐甲醇性和稳定性优于Pt/C催化剂。
　　2、以廉价原料高温热解生成层状结构g-C3 N4聚合物为软模板制备氮掺杂碳纳米片，该方法排除了金属杂质对 ORR催化活性的影响，经对比确定了氮掺杂碳材料ORR催化活性源于氮原子掺杂效应的催化机理及样品中石墨型氮对 ORR催化活性的贡献。
　　3、采用简单热解法制备了包裹钴纳米颗粒的氮掺杂碳纳米片复合材料，考察了样品制备工艺中钴含量对催化剂活性的影响。NCN-Co-0.1（钴碳质量比为0.1）催化活性最好，其在0.1M KOH中ORR催化活性优于Pt/C（NCN-Co-0.1的半波电位比Pt/C正35 mv），其在0.5 M H2SO4中ORR催化活性和Pt/C相当，并且其耐甲醇性优于Pt/C。ORR活性随着Co-Nx结构的产生明显增强，确定了Co-Nx结构是NCN-Co-0.1的主要活性点位之一。
　　4、提出包裹 Fe、Co二元金属纳米颗粒的氮掺杂碳纳米片复合材料以提高氧还原活性位数量，对比了单一金属Fe或Co纳米颗粒负载的氮掺杂碳材料的ORR催化活性，结果表明，在酸性和碱性介质中，NCN-FeCo的 ORR催化活性优于 NCN-Fe及NCN-Co，和Pt/C催化活性相当（在0.1 M KOH中半波电位比Pt/C正70mV；在0.5 M H2SO4中半波电位比Pt/C负40mV），并且NCN-FeCo的耐甲醇性和碱液中的稳定性优于Pt/C。确定了Fe、C o二元金属纳米颗粒和碳纳米片中的氮之间的协同电子效应对OR R催化活性的贡献。
　　5、和碱性燃料电池相比，酸性介质中的质子交换膜燃料电池应用更为广泛，但目前大多数非贵金属ORR催化剂在酸性介质中的催化活性较低、耐久性较差。本文制备的系列氮掺杂碳纳米片在碱性尤其是酸性介质中具有优异的OR R催化活性，其性能高于多数文献报道的ORR催化活性，具有较大的实用价值。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第 1章 绪 论

1.1 引言

1.2 燃料电池简介

1.3 氧电极反应的电催化

1.4 氧还原电催化剂研究现状

1.5 本论文的选题依据及研究思路

1.6 本文的创新点

第 2章 实验材料仪器及方法介绍

2.1 实验试剂、材料与仪器

2.2 高温热处理掺杂碳材料过程

2.3 催化剂的结构组成表征方法

2.4 催化剂的电化学性能表征方法

第 3章 无金属氮掺杂碳纳米片的制备及酸碱中的氧还原催化性能

3.1 引言

3.2 催化剂制备方法

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第 4章 包裹钴纳米颗粒的氮掺杂碳纳米片的制备及酸碱中氧还原催化性能

4.1 前言

4.2 催化剂制备方法

4.3 结果和讨论

4.4 小结

第 5章 包裹铁钴二元金属颗粒的氮掺杂碳纳米片的制备及酸碱中氧还原催化性能

5.1 引言

5.2 催化剂制备方法

5.3 结果与讨论

5.4 小结

结论

参考文献

致谢

附录 A 攻读博士期间取得的研究成果

附录 B 主要缩略语简表