钨、硼、氮掺杂改性纳米碳纤维及其氧还原活性的研究

摘要

阴极上氧还原反应对于燃料电池的性能具有非常重要的作用。最常用的氧还原催化剂是铂催化剂，但铂的价格昂贵且容易失活，从而极大地限制了铂催化剂的商业化应用。本论文旨在开发一种成本低廉、活性高、稳定性好的新型氧还原催化剂。
　　已有报道表明，碳材料具有一定的氧还原性能，对碳材料进行掺杂能够显著提高其催化活性。本论文基于静电纺丝技术制备碳纳米纤维，采用钨、硼、氮等进行掺杂得到改性后的碳纳米纤维，运用SEM/EDX、XRD、Raman、FTIR、XPS等表征手段对样品的形貌、成分和微观结构等进行了较为系统地测试分析，并使用循环伏安法和旋转环盘电极等电化学方法对样品的氧还原活性进行了测试。
　　首先考察了钨掺杂对碳纳米纤维的影响。引入钨是为了在碳纳米纤维中形成碳化钨，因碳化钨具有类似于铂的电子结构，有可能提高碳纳米纤维的催化性能。在电纺聚丙烯腈纤维表面浸渍包覆偏钨酸铵，经过高温碳化处理后制得碳化钨/碳复合纳米纤维，显示出一定的氧还原催化性能，但活性不太理想。
　　其次，本论文着重考察了氮掺杂对碳纳米碳纤维的影响。研究发现，热处理所用气氛对碳纤维具有显著影响，表现在 NH3处理得到的碳纤维，其直径发生显著缩减，可以缩减90％以上。本论文所得的氮掺杂的碳纳米纤维的平均直径可达20nm以下。这是公开文献中采用静电纺丝法所制备的平均直径最细的碳纤维材料。而在相同的热处理温度下，使用N2所得碳纳米纤维的直径在150nm左右。NH3气氛处理得到的氮掺杂的纳米纤维显示出优异的氧还原活性，当处理温度从600℃增加至1000℃时，催化剂在氧还原反应中的峰电流强度增加约30倍。N2处理得到的氮掺杂碳纳米纤维的活性远低于NH3。XPS的结果表明，NH3处理时，氮的掺杂更易以吡啶氮的形式存在，而N2处理则形成吡咯氮。吡啶氮有可能是氧还原反应的活性中心，因此 NH3处理得到的氮掺杂碳纳米纤维的活性较好。本研究中得到的活性最高的样品，在氧气饱和的0.1M KOH溶液中，以10mv/s的扫描速度得到的循环伏安法曲线，其峰电位在-0.17V，起始电位-0.03V，峰电流密度6.64mAcm-2。
　　最后，本论文研究了硼、氮共掺杂对碳纳米纤维的影响。研究表明，硼、氮共掺杂能够提高碳纳米纤维的氧还原活性，但其催化剂效果略逊于氮掺杂的碳纳米纤维催化剂。
　　综上所述，本论文制备了钨、硼、氮掺杂的碳纳米纤维催化剂，用于氧还原反应中，显示出不同的改性效果，其中NH3处理的氮掺杂碳纳米纤维，具有很小的直径且氮以吡啶氮形式掺杂，显示出优异的氧还原活性和循环稳定性。

目录

钨、硼、氮掺杂改性纳米碳纤维及其氧还原活性的研究

TUNGSTEN, BORON AND NITROGEN DOPEDCARBON NANOFIBERS AND THEIR ACTIVITYFOR OXYGEN REDUCTION REACTION

摘要

ABSTRACT

ACKNOWLEDGEMENTS

CONTENTS

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

CHAPTER 1 INTRODUCTION

Introduction to fuel cells

Oxygen reduction reaction (ORR) of fuel cells

Electrocatalysts for oxygen reduction in fuel cells

Non-noble metal electrocatalysts

N-doped carbon material electrocatalysts

Nitrogen doping methods

Tungsten carbide electrocatalysts

Electrospinning technology

Basic principles

Influence factors of electrospinning

Major work of my research

CHAPTER 2 EXPERIMENTAL METHODS

Preparation of catalysts

Preparation of WC coated CNF catalysts

Preparation of N-doped CNF catalysts

Preparation of B- and N-codoped CNF catalysts

Catalyst characterization

TGA-DSC

SEM/EDX

XRD

FTIR Spectroscopy

Raman Spectroscopy

Cyclic Voltammetry (CV) and Rotating Disk Electrode (RDE)

Working electrodes (WE)

Counter electrode (CE)

Reference electrode (RE)

Electrolytes and electrochemical set-up

CHAPTER 3 PREPARATION OF WC/CNF CATALYSTS AND THEIR ELECTROCATALYTIC ACTIVIES FOR ORR

Stabilization of PAN nanofibers

Characterization of WC/CNF catalysts

SEM characterization

XRD and EDX analysis

Electrochemical testing results

Conclusion

CHAPTER 4 PREPARATION OF N-DOPED CNF CATALYSTS AND THEIR ELECTROCATALYTIC ACTIVIES FOR ORR

Introduction

Characterizations of N-doped CNF catalysts

SEM characterization

Raman spectroscopy analysis

EDX and FTIR spectra analysis

XPS analysis

Measurement of electrocatalytic activity of N-CNFs

CV testing results

RDE testing results

Conclusion

CHAPTER 5 PREPARATION OF B- AND N-CODOPED CNF CATALYSTS AND THEIR ELECTROCATALYTIC ACTIVIES FOR ORR

Characterization of boron carbonitride nanofibers

SEM characterization

FTIR analysis

Measurement of electrocatalytic activity of boron carbonitride nanofibers

Characterization of BN/CNF catalysts

SEM characterization

FTIR analysis

Measurement of electrocatalytic activity of BN/CNFs

Conclusion

CONCLUSIONS

REFERENCES

PATENTS

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