用生物质制备氮、磷、铁共掺杂纳米多孔碳

摘要

碱性介质中氧化还原电催化剂对于电化学装置如燃料电池和金属空气电池至关重要。这里，我们用简单的方法将可回收利用的生物质玉米须制备成氮、磷和铁掺杂纳米多孔碳催化剂。
　　玉米须是一种廉价、可回收的植物生物质，为开发低成本、高产率的催化剂提供了良好的基础。与20％ Pt/C催化剂相比，我们制备的典型产物表现出相当高的催化活性、稳定性好、耐碱性介质中甲醇的中毒，起始电位和半峰电位比20％ Pt/C催化剂高30mV和26 mV。典型产物具有高的比表面积（1038.9 m2 g-1）和孔体积（0.83 cm3 g-1），是目前最好的ORR催化剂之一。
　　金属-空气电池由于其能量密度高、功率密度高以及安全性高，是一种前途很广的能源设备。锌由于其含量丰富、成本低廉以及对环境无污染，所以是金属空气电池阳极材料的首选之一。然而锌-空气电池的电池性能在很大程度上受到空气电极的限制，其中氧还原反应过程(ORR)很慢。所以发展高性能的锌-空电池的空气电极催化剂（氧还原反应过程）是非常重要的。因此添加某些过渡金属（例如铁和钴）的氮掺杂碳材料可以大大促进氧化还原活性。氮、磷和铁等元素的掺杂碳催化剂也显示出了优异的ORR催化性能。在锌-空电池中N-P-Fe催化剂比Pt/C表现出更高的电压和更高的比容量，所以它可能会替代Pt/C在锌-空电池中的应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 燃料电池

1．2 燃料电池基本结构与工作原理

1．3 燃料电池的分类

1．4 燃料电池阴极氧化还原反应

1．5 燃料电池阴极催化剂

1．5．1 贵金属催化剂

1．5．2 非贵金属催化剂

1．5．3 无金属催化剂

1．6 碳在燃料电池中的重要性

1．6．1 碳的结构

1．6．2 碳是燃料电池的重要组成部分

1．7 金属-空气电池

1．7．1 锌-空气电池

1．7．2 锌-空气燃料电池阴极催化剂

1．8 生物质碳材料

1．8．1 制备生物质碳材料的原料

1．8．2 制备生物质碳材料的方法

1．9 氮掺杂的生物质碳材料

1．9．1 氮掺杂的方法

1．9．2 掺氮的化学态

1．9．3 氮掺杂碳催化剂的分类

1．9．4 氮掺杂碳催化剂的ORR催化机理

第二章 用玉米须制备N-P-C催化剂及其表征和性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 实验步骤

2．3 结果与讨论

2．3．1 材料的表征

2．3．2 碱性条件下材料的ORR性能

2．3．3 酸性条件下材料的ORR性能

2．3．4 其他一些生物质制备碳材料的ORR性能

2．4 结论

第三章 研究氮、磷、铁共掺杂多孔碳的电池性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 实验步骤

3．3 结果与讨论

3．3．1 材料的表征

3．3．2 碱性条件下的材料的ORR性能

3．3．3 材料的电池性能

3．4 结论

第四章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文