纳米碳化硼负载氧化钛作为双功能电催化剂的研究

摘要

近年来，很多新型能量储存和转换技术得到快速发展，其中燃料电池和水电解技术能够组成一体式可再生燃料电池系统。这一系统能够实现化学能与电能的循环转换，对高效利用能源、缓解能源危机和环境污染将发挥重要作用。系统中的氧电极上要同时发生氧还原和氧气析出反应是制约该技术发展的关键因素，要求氧电极上的催化剂具有双功能性，传统的贵金属合金双功能催化剂的高成本、寿命短等问题减慢了其发展速度。所以研发高效、高稳定性和低成本的双功能氧电极催化剂显得尤为重要。
　　本课题中，以高稳定性的纳米碳化硼(B4C)作为载体材料，首先利用微波辅助沉积法将TiO2负载到纳米B4C的表面（TiO2/B4C）。在氮气保护条件下，700℃热处理，得到以纳米B4C为核，表层形成B自掺杂的碳（B-C）和B掺杂的TiO2（B-TiO2）的核壳结构双功能催化剂（B-TiO2/B-C@B4C-700）。通过XRD、TEM、XPS等手段证实了B-TiO2/B-C@B4C-700的形貌和结构特点。在0.1MKOH碱性溶液中对其进行电化学实验测试，结果表明：B-TiO2/B-C@B4C-700催化氧还原反应的起始电位值是0.83V（vs.RHE），半波电位是0.73V。催化氧气析出反应时，10mA/cm2电流密度值对应的析氧过电位值是1.56V。
　　将TiO2/B4C试样与三聚氰胺混合，700℃，N2保护下进行真空热处理。得到以纳米B4C为核，表层形成B，N共掺杂的碳（B,N-C）和B，N共掺杂的TiO2（B,N-TiO2）的核壳结构双功能催化剂（B,N-TiO2/B,N-C@B4C-700）。0.1MKOH碱性溶液中电化学实验测试结果表明，B,N-TiO2/B,N-C@B4C-700对氧还原的催化效果与20％Pt/C接近。催化氧还原反应的起始电位值是0.92V，半波电位是0.77V，极限电流密度值为-5mA/cm2。催化氧气析出反应时，10mA/cm2电流密度值对应的析氧过电位值是1.65V。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1本课题的研究背景

1.2可再生燃料电池的介绍

1.2.1 一体式可再生燃料电池

1.2.2 双功能催化剂

1.2.3 氧还原反应（ORR）

1.2.4 氧气析出反应（OER）

1.3催化剂材料

1.3.1 纳米碳材料

1.3.2 碳化硼介绍

1.4非贵金属氧化物催化剂

1.5本论文的研究内容及意义

第2章 实验方法及过程

2.1实验原料和试剂

2.2实验设备

2.3微波辅助沉积法制备催化剂的原理

2.4双功能催化剂的制备

2.5结构表征及形貌分析方法

2.5.1 X射线衍射仪

2.5.2 透射电子显微镜及能谱仪

2.5.3 X射线光电子能谱

2.6电化学测试

2.6.1 电化学综合测试仪

2.6.2 旋转圆盘电极体系

2.6.3 循环伏安法

2.6.4 线性扫描伏安法

2.6.5 加速老化试验

2.7本章小结

第3章 实验结果与分析

3.1 B-TiO2/B-C@B4C催化剂

3.1.1 B-TiO2/B-C@B4C的结构和形貌分析

3.1.2 B-TiO2/B-C@B4C对ORR的电催化性能

3.1.3 B-TiO2/B-C@B4C对OER的电催化性能

3.1.4 B-TiO2/B-C@B4C的双功能催化性

3.2 B,N-TiO2/B,N-C@B4C催化剂

3.2.1 B,N-TiO2/B,N-C@B4C的结构和形貌分析

3.2.2 B,N-TiO2/B,N-C@B4C对ORR的电催化性能

3.2.3 B,N-TiO2/B,N-C@B4C对OER的电催化性能

3.2.4 B,N-TiO2/B,N-C@B4C的双功能催化性

3.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要研究成果

致谢