钴/杂原子掺杂碳纳米结构的构筑及其电化学性能的研究

摘要

随着化石燃料的枯竭和全球的不断变暖，能源危机和环境问题已向人类敲响了警钟。因此，开发更加有效的可再生新能源是非常重要的。燃料电池和超级电容器是非常有前景的能量转换和存储装置，而电极材料的选择和结构设计对性能的提高至关重要。碳纳米材料（如碳纳米管，石墨烯，碳纳米纤维等）因其大的比表面积、可控的孔结构、高的导电率和化学稳定性而被广泛应用于新能源电极材料上。而杂原子（如氮、磷、硼、硫）掺杂是进一步提高碳纳米材料电化学性能的有效方法，杂原子的引入会改变碳纳米材料中电荷分布和电化学特性，带来更多的结构缺陷，这些缺陷更有利于加强电化学性能。
　　在本文中构筑了几种结构新颖的钴/杂原子掺杂碳纳米材料，这些材料展示出了极好的氧还原催化性能和优异的电容性能。主要工作内容如下：
　　（1）氮掺杂碳纳米片褶皱限域排列钴-碳核壳纳米粒子（Co-C@NWCs）作为高效氧还原催化剂。
　　用尿素、硝酸钴和表面活性剂 P123为原料，我们经过一步碳化首次成功的制得了新颖的氮掺杂碳纳米片褶皱限域排列钴-碳核壳纳米粒子（Co-C@NWCs）。硝酸钴和表面活性剂P123在合成Co-C@NWCs过程中均起着关键性的作用。该材料因其独特的化学成分和结构可以作为高效的氧还原反应的催化剂。该材料有可比得上Pt/C的起始电位(0.939 V vs. RHE)，更高的半波电位0.831 V（比Pt/C的半波电位大21 mV），更高的电子转移数（n=3.99），比商业Pt/C更好的耐甲醇性和更优异的稳定性。这项工作突破了纳米粒子在碳材料中难以取向排列的难题，为提高碳材料在能源存储与转化方面的性能提供了新的结构类型和研究依据。
　　（2）碳纳米管@氮掺杂多级孔碳同轴纳米缆（HPNCNTs）用于氧还原和超级电容器性能研究。
　　首先成功制备了间苯二酚-三聚氰胺-甲醛包覆的碳纳米管（CNT@RMF），随后经过简单的一步碳化成功的制备了碳纳米管@氮掺杂多级孔碳的同轴纳米缆（HPNCNTs）。该材料具有大的比表面积，高的含氮量，良好的导电率。该材料用作燃料电池氧还原催化剂，展示了优异的电催化性能，开路电位达到?0.04 V（vs. Ag/AgCl），电子转移数高达3.84，循环性和耐甲醇交叉性能比商业Pt/C更好。该材料用作超级电容器电极，比电容在电流密度为0.2 A g-1时高达284 F g-1，远远大于碳纳米管和之前报道过得一些碳材料，具有好的倍率性能，循环6000次几乎无衰减（仍能保持99％）。我们的工作为简单的合成具有高效氧还原性和电容性能的多孔的异质结构碳开辟了新的方向。
　　（3）碳纳米管@磷、氮共掺杂多级孔碳同轴纳米缆（PN-CNTs）优化超级电容器性能。
　　用上述制得的间苯二酚-三聚氰胺-甲醛包覆碳纳米管（CNT@RMF）与三苯基膦（TPP）进行混合碳化，成功得到碳纳米管@磷、氮共掺杂多级孔碳同轴纳米缆（PN-CNTs）。通过调节不同的掺磷量，探索出了最佳的磷、氮掺杂的比例（PN-CNTs-2）。因其磷、氮共掺杂的协同作用和合适的多孔网状结构，该材料被应用于超级电容器，展示出了更优秀的电容器性能，比电容高达323 F g-1，大于单独的氮掺杂的碳(284 F g-1)和碳纳米管(32 F g-1)，循环8000次几乎无衰减（仍能保持98%）。我们的工作为多杂原子掺杂且具有多级纳米结构的碳材料提供了一个新的思路。

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第一章 绪论

1.1 碳纳米材料

1.2 燃料电池和超级电容器简介

1.3 燃料电池氧还原催化剂研究进展

1.4 本选题的研究内容和意义

第二章 氮掺杂碳纳米片褶皱限域排列钴-碳核壳纳米粒子作为高效氧还原催化剂

2.1 引言

2.2 实验试剂及仪器

2.3 实验过程

2.4 结果与讨论

2.5 小结

第三章 碳纳米管@氮掺杂多级孔碳同轴纳米缆用于氧还原和超级电容器性能研究

3.1 引言

3.2 实验试剂及仪器

3.3 实验过程

3.4 结果与讨论

3.5 小结

第四章 碳纳米管@磷、氮共掺杂多级孔碳同轴纳米缆优化超级电容器性能

4.1 引言

4.2 实验试剂及仪器

4.3 实验过程

4.4 结果与讨论

4.5 小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历及硕士期间发表的论文与科研成果

个人简历

硕士期间发表论文及专利