硬模板法制备多孔碳材料在光/电催化中的应用

摘要

化石燃料的燃烧不可避免的带来了环境污染问题，严重影响着人们的日常生活和生态环境的稳定。一方面，迫切需要一种有效解决污染问题的方法，这就要求科研工作者研发出更多地产品用于水、空气的净化工作。另一方面，使用新型能源转换器件代替传统化石燃料能源装置可以在根本上减少甚至杜绝污染的出现。本文利用硬模板法，通过刻蚀和分解的综合作用，制备出多孔的碳基材料，分别用于光催化分解水中的有机污染物和锌空气电池阴极催化材料，旨在解决水体中的有机物污染和能源紧缺问题。该研究通过简单的固态反应，使用二氧化硅球作为模板，三聚氰胺作为碳源，分别通过不同的退火温度制备出的光/电催化剂表现出了良好的催化性能。具体研究如下: 1、制备三维立体状孔状氮化碳并对其光催化降解性能进行研究。氮化碳材料被认为是优异的光催化降解有机物的催化材料之一。但是由于其单纯无定形块状材料的催化效率较低，催化效率不尽如人意，无法满足日常需求，所以研究者们一直在探寻如何增大氮化碳材料的光催化效率的方法。本项研究通过硬模板法，将前躯体和模板简单混合烧结，除去模板以后，制备出规则多孔的蜂窝状氮化碳材料。实验表明，多孔氮化碳材料对亚甲基蓝(MB)和甲基橙(MO)目标降解物溶液的催化效率很高，并且可以实现低浓度下的有效降解。 2、蜂窝多孔碳骨架桥接N掺杂碳纳米管嵌入Fe3C/Fe纳米粒子作为可逆锌-空气电池的双功能电催化剂(PC-NCNT-Fe3C/Fe)。本项研究中，通过简单的热解和刻蚀综合作用，使用三聚氰胺和葡萄糖为前躯体，制备出了管-孔交联的特殊形貌锌-空气电池双功能催化剂材料，结合了孔装材料和纳米管材料的优点，来获得更高的催化效率。实验测试结果与猜想不谋而合，该材料的ORR、OER性能均超过了其他对照组。实验表明，孔装结构和管状结构的有机结合负载的金属催化剂，相比于单纯的多孔蜂窝状材料和碳纳米管，具有更好的电催化性能。通过PC-NCNT-Fe3C/Fe材料制备的可充电锌空气电池表现出了优异的充-放电循环稳定性和比较高的效率转换性能。 本项研究为寻求环境友好型纳米催化剂提供了新的制备思路，由硬模板法制备的多孔氮化碳材料经过长时间的效率和稳定性测试，展现出了优良的催化效率和长时稳定性。对甲基橙和亚甲基蓝有机污染物具有完全降解的能力，尤其使其在低浓度污染物环境中表现出的优良工作状态值得称赞，为解决低浓度环境降解提供了新的思路。与此同时，类似方法制备的PC-NCNT-Fe3C/Fe材料表现出了不亚于贵金属的电催化性能，基于催化剂组装的锌-空气电池表现出了很好地稳定性。这两种材料的制备为多孔材料光电催化剂的合成提供了新的策略。