过渡金属氮化物-金属/掺氮有序介孔碳复合材料的制备及电化学性能

摘要

过渡金属氮化物具有一定的氧还原催化活性及良好的循环稳定性，而掺氮的碳载过渡金属催化剂具有高效的氧还原活性，将二者的优点结合起来，可以获得两种催化活性物质兼有的新型催化剂，有望取代价格昂贵资源稀缺的 Pt/C作为氧还原的催化剂。在本研究论文中，我们通过溶剂挥发诱导自组装法原位合成了过渡金属氮化物-金属/掺氮有序介孔碳复合材料，作为高效的氧还原（ORR）催化剂。具体研究成果如下：
　　1.以F127为模板剂，酚醛树脂为碳源，双氰胺为氮源，加入金属源磷钨酸及硝酸镍，通过软模板法原位合成了氮化钨-镍/掺氮有序介孔碳复合材料。研究结果表明，钨源和镍源的添加量均为10％，在氨气中的煅烧温度为800℃（10W-10Ni-800）时，经高温还原后获得了WN-Ni/掺氮有序介孔碳复合材料。该复合材料具有较好的氧还原性能，起始电位是-171 mV（vs SCE），ORR电位极化值为-0.6 V时其极限电流可达-4.00 mA cm-2，氧催化还原反应接近四电子过程，循环稳定性稍优于Pt/C。
　　2.以F127为模板剂，酚醛树脂为碳源，双氰胺为氮源，加入金属源磷钨酸及硝酸钴，通过软模板法原位合成了氮化钨-钴/掺氮有序介孔碳复合材料。研究结果表明，在氨气中煅烧温度为800℃（10W-10Co-800）时，金属盐转变为WN和Co。所得复合材料的ORR起始电位约为-156 mV（vs SCE），-0.6 V时的极限电流密度达-5.18 mA cm-2，接近Pt/C的极限电流密度值，其氧催化还原反应接近四电子过程。在5000圈CV循环后，10W-10Co-800的起始电位基本没有变化，在充满O2的0.1 M KOH溶液中连续测试10 h后电流保持率为91%，稳定性优于Pt/C。主要原因是有序介孔碳较高的比表面积，N元素成功地掺杂到了碳骨架中，WN-Co均匀密集地嵌入到了碳骨架中，为氧还原过程提供了更快的界面电子转移和更多的活性位点。而WN和Co之间可能存在协同催化作用，也有利于ORR活性的提高。
　　3.以F127为模板剂，酚醛树脂为碳源，双氰胺为氮源，加入金属源磷钼酸及硝酸钴，通过软模板法原位合成了Co3Mo3N-钴/掺氮有序介孔碳复合材料。研究结果表明，高温煅烧后金属盐被还原成Co3Mo3N和Co，当煅烧温度为800℃时，所得复合材料的ORR性能最好，起始电位是-157 mV（vs SCE），-0.6 V时的极限电流密度是-4.30 mA cm-2，氧还原转移电子数为3.79，催化氧还原反应接近四电子过程，循环稳定性稍优于Pt/C。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 燃料电池概述

1.2 阴极氧化还原反应（ORR）机理

1.3 氧还原催化剂

1.4 协同催化作用

1.5 有序介孔碳的改性

1.6 本文的主要研究内容

第二章 氮化钨-镍/掺氮有序介孔碳的合成及其电化学性能

2.1 引言

2.2 实验内容

2.3 xW-10Ni-800复合材料的实验结果与讨论

2.4 10W-yNi-800复合材料的实验结果与讨论

2.5 10W-10Ni-T 复合材料的实验结果与讨论

2.6 10W-10Ni-800复合材料的实验结果与讨论

2.7 本章小结

第三章 氮化钨-钴/掺氮有序介孔碳的制备及其电化学性能

3.1 引言

3.2 实验内容

3.3 10W-10Co-T复合材料的实验结果与讨论

3.4 10W-10Co-800复合材料的实验结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 Co3Mo3N-钴/掺氮有序介孔碳的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 实验内容

4.3 10Mo-10Co-T复合材料的实验结果与讨论

4.4 10Mo-10Co-800复合材料的实验结果与讨论

4. 5 本章总结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表论文