氮掺杂碳纳米纤维的制备及其在电催化析氢中的应用

摘要

能源和环境问题是人类可持续发展的两大难题，寻求对环境无污染的绿色能源是当代科学家们的追求。氢能是较为理想的清洁绿色能源。电解水制氢由于具有绿色、高效等特点，是一种具有广泛应用前景的制氢方法。目前，高活性的电解水催化剂主要是Pt等贵金属类催化剂，但是由于其来源稀有、价格昂贵而严重制约了其工业化应用。氮掺杂碳材料作为一种新兴的电解水催化剂，因其储量丰富、价廉等特点，得到了科学家们的广泛关注。本文利用静电纺丝技术结合原位聚合和化学络合等方法制备了氮掺杂的碳纳米纤维(NCNRs/CNFs)，并将其作为载体制备了氮-金纳米颗粒共掺杂的碳纳米纤维杂化材料(AuNPs@NCNRs/CNFs)，并系统研究了其微观结构与电催化析氢活性及其之间的关系。主要内容如下:
　　(1)将静电纺丝技术、原位聚合和高温石墨化过程相结合制备了NCNRs/CNFs杂化材料，并对其结构和性能进行了一系列表征。所制备CNFs的平均直径在160nm到200nm之间。原位聚合后，苯胺成功在CNFs表面聚合，通过高温煅烧后得到了NCNRs/CNFs。电催化析氢测试结果表明，NCNRs/CNFs杂化材料相对于CNFs具有较好的电催化析氢活性和稳定性。
　　(2)为了进一步提高杂化材料的析氢性能，以少量贵金属金纳米颗粒共掺杂制备出了AuNPs@NCNRs/CNFs，并对其进行了一系列的表征。结果表明，AuNPs在NCNRs/CNFs表面分布的非常均匀，且没有明显的团聚现象。将合成的杂化材料在酸性条件下用作电催化析氢反应的催化剂，研究结果表明其具有非常优异的电催化析氢活性。AuNPs@NCNRs/CNFs的起始过电位约为126mV，Tafel斜率约为93mV dec-1，且具有非常好的稳定性。研究认为，所合成的催化材料优异的电催化析氢活性主要来源于AuNPs和氮掺杂碳纳米纤维之间强烈的协同作用。由于AuNPs的引入，降低了电催化析氢过程的吉布斯自由能(△GH)，进而有利于析氢反应的快速进行。

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摘要

缩写、符号清单和术语表

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 电解水制氢概述

1．3 非贵金属类析氢电极的研究现状

1．4 高压静电纺丝技术简述

1．5 纳米碳纤维的制备方法

1．6 论文的主要内容和创新点

1．6．1 论文的主要内容

1．6．2 论文的创新点

第二章 氮掺杂碳纳米纤维的制备及电催化析氢研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料与仪器

2．2．2 实验步骤

2．2．3 NCNFs／CNFs杂化材料的表征与测试方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 CNFs、PNRs／CNFs和NCNRs／CNFs的形貌与结构分析

2．3．2 NCNRs／CNFs杂化材料在电催化析氢中的应用

2．4 本章小结

第三章 氮掺杂碳纳米纤维／金纳米颗粒杂化材料的制备及电催化析氢应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料与仪器

3．2．2 AuNPs@NCNRs／CNFs杂化材料的制备

3．2．3 AuNPs@NCNRs／CNFs杂化材料的表征与测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 AuNPs@NCNRs／CNFs杂化材料的形貌与结构分析

3．3．2 AuNPs@NCNRs／CNFs杂化材料的形成机理

3．3．3 AuNPs@NCNRs／CNFs 杂化材料在电催化析氢中的应用

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

攻读硕士期间取得的成果

致谢