过渡金属氧化物及掺氮碳材料的冷等离子体辅助制备及应用

摘要

冷等离子体技术是当代绿色高新技术之一。对于制备负载型纳米金属及金属氧化物颗粒，借助冷等离子体，在低温下即可实现前驱体的分解，并获得分散均匀、结构及性能独特的纳米复合材料；对于制备聚合物材料，在冷等离子体作用下，无需外加化学试剂即可实现单体的聚合。将冷等离子体技术与环保及新能源材料的制备相结合，实现材料的绿色制备、绿色应用是本课题组正在努力的方向。 汽车尾气中的含硫化合物严重危害环境和人类的健康、容易使尾气处理催化剂中毒。燃油的深度脱硫是降低汽车尾气中含硫化合物含量的有效手段。吸附脱硫作为一种条件温和、成本低、零耗氢、辛烷值损失小的深度脱硫手段已被广泛关注。本文把介质阻挡放电(DBD)等离子体技术与油品吸附脱硫材料的制备相结合，获得了以活性炭球为核，HKUST-1为壳的MOF@活性炭磁性微球，以负载的形式实现了MOFs材料的形态化。与磁性活性炭微球相比，该材料对二苯并噻吩的吸附量基本保持不变，而对初始硫浓度为500 mgS·L–1的模型油中噻吩的饱和吸附量提高了近3倍，达到了12.0 mgS·g–1。透射电镜及磁性测试结果显示，DBD等离子体分解获得的Fe3O4颗粒的平均粒径仅为2.7 nm，并且此Fe3O4具有超顺磁性，MOF@活性炭磁性微球饱和磁化强度为3.88 emu·g–1。~500μm的粒径、3.88 emu·g–1的饱和磁化强度使得所得复合材料易于分离和回收再利用。 随着全球石油储量的不断减少及日益严重的空气污染，发展替代燃油的清洁能源汽车已成为必然趋势。压缩天然气(CNG)安全、经济、环保，是目前世界公认的最为理想的车用替代能源，但CNG汽车的温室气体甲烷的排放量比传统燃油汽车大，大大抵消了其在其他方面的优势。因此，去除CNG汽车尾气中残余的低浓度甲烷具有重要的科学意义和社会价值。本论文利用DBD等离子体技术制备了用于低浓度甲烷催化燃烧的Co3O4/HZSM–5高效催化剂。与传统高温焙烧分解的方法相比，DBD等离子体分解制备的催化剂，Co3O4粒径更小， Co3+低温可还原性更强，表面Co3+、Co3O4晶格氧以及吸附氧含量更高，反应过程中更不易形成引起催化剂失活的中间产物Co–formate等，因此，其甲烷催化燃烧活性远远高于高温焙烧分解制备的催化剂。 氮掺杂纳米碳材料以独特的物理及化学性质使其在燃料电池、超级电容器、化学传感器以及催化等领域的应用中均表现出了优异的性能，已成为碳材料领域的研究热点之一。本论文利用辉光放电等离子体引发聚合技术，以离子液体为碳源和氮源，以水为溶剂和引发剂，制备了纳米厚度的聚离子液体膜，然后通过对其进行高温碳化，获得了平均厚度仅为4.6 nm的自支撑氮掺杂纳米超薄碳膜。初步测试该碳膜材料在碱性条件下氧还原反应的催化活性，结果显示，材料的起始电位虽然仍比商业铂碳材料稍负，但其具有更大的极限电流密度，在作为燃料电池阴极材料方面具有很大的潜在应用价值。

目录

声明

第1章文献综述

1.1引言

1.2等离子体技术及其应用

1.3燃油吸附脱硫

1.4甲烷催化燃烧反应及其催化剂

1.5氮掺杂纳米碳材料的制备及应用

1.6论文工作的提出及研究内容

第2章DBD等离子体辅助制备MOF@活性炭磁性微球及其在吸附脱硫中的应用

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4小结

第3章DBD等离子体制备Co3O4/HZSM–5催化剂及其在低浓度甲烷催化燃烧中的应用

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4小结

第4章辉光放电等离子体辅助制备自支撑氮掺杂纳米超薄碳膜

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4小结

第5章结论与展望

5.1结论

5.2创新点

5.3展望

参考文献

参加科研和发表论文情况

致谢