金属修饰碳缺陷型电催化剂的设计及其性能研究

摘要

在当今全球经济高速发展的同时，能源危机与环境污染问题日趋严重。电催化技术作为一项清洁高效的能源转换技术，在全世界范围内得到了普遍重视。其中，氧的电催化还原是燃料电池装置的阴极反应，氢的析出反应是电解水制氢的阴极反应，两者均具有重大的研究意义。科学家们在电极反应机理以及催化剂的设计优化方面投入了大量的工作，并取得了一定的成果。铂催化剂在此两种反应中表现优越，但是铂自身昂贵的价格以及稀有的储存量限制了铂的广泛应用，提高铂的利用率或是寻找高效的非铂催化剂成为了研究的重点。随着近年来碳材料的兴起，碳材料独特的物理化学性质以及自身结构得到了科学家们的青睐，如何进一步优化碳材料的电子结构以达到更高效的催化性能，还有很大的研究空间。　　本文根据碳材料独特的结构性质，对碳材料进行电子调控，以达到更好的电化学性能，进而实现更优异的能源器件转换储存效率。作者主要通过在碳材料中制造缺陷，并进一步用金属原子对缺陷进行修饰，获得了高性能的氧还原和氢析出反应电催化剂。主要包括以下工作：　　(1)氮掺杂的碳是一种研究广泛的氧还原电催化剂，用金属原子对氮原子进行配位，得到金属—氮—碳催化剂，是对其进行进一步电子调控的常用手段。基于这一点，作者首次运用到铯盐对碳前驱体进行掺杂，得到了铯修饰的氮掺杂的碳催化剂。铯是一种经典的电子注入材料，明显降低了碳材料表面的功函数。铯的加入使得材料的氧还原性能得到较大的提升。这种选用低功函金属对氮掺杂的碳进行修饰的方法较为新颖，为未来氧还原催化剂的开发与设计提供了新的导向。　　(2)选用铂原子修饰碳缺陷，并成功制备了具有优异性能的氢析出电催化剂。该材料的制备方法的特点在于，在碳纸上制造出缺陷后，利用碳缺陷直接吸附还原铂原子，确保铂原子直接与碳缺陷作用并避免了铂的大面积团聚。这种方法成功制备了直接还原在三维基上的单原子铂催化剂，展现出较好的氢析出催化性能，相对于商业铂碳来讲有着更高的原子利用率跟质量活性。该方法对于铂单原子的设计以及氢析出反应中铂的电子调控有一定的指导意义。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 氧还原反应简介以及典型电化学能源转换装置简介

1.2.1 氧还原反应机理

1.2.2 金属-空气电池

1.2.3 燃料电池

1.2.4 MOF衍生的氧还原电催化剂

1.3 氢析出反应简介以及电解水装置简介

1.3.1 氢析出反应机理

1.3.2 电解水装置

1.3.3 铂系氢析出催化剂

1.4 缺陷工程调控碳材料常用策略

1.4.1 氮掺杂型碳缺陷的引入

1.4.2 本征碳缺陷的研究

1.4.3 金属原子修饰碳缺陷

1.5 本论文的选题背景和研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验工作中所使用的药品或原料

2.2 实验仪器

2.3 材料的物理表征方法

2.3.1 场发射扫描电子显微镜测试

2.3.2 透射电子显微镜测试

2.3.3 球差矫正透射电镜测试

2.3.4 X射线衍射分析

2.3.5 热失重分析测试

2.3.6 比表面及孔径分析

2.3.7 拉曼光谱测试

2.3.8 X射线光电子能谱分析

2.3.9 紫外光电子能谱分析

2.3.10 X 射线吸收光谱分析

2.4 电化学性能表征

2.4.1 循环伏安与线性扫描伏安测试

2.4.2 交流阻抗测试

第3章 铯修饰碳缺陷结构的设计及其在电催化氧还原中的应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 材料的制备

3.2.2 物理表征

3.2.3 电化学性能测试

3.2.4 电阻测试

3.3 分析与讨论

3.3.1物理表征

3.3.2电催化氧还原性能测试与分析

3.3.3 电阻测试与分析

3.4本章小结

第4章 铂单原子修饰碳缺陷结构的设计及其在电催化氢析出中的应用

4.1引言

4.2 实验部分

4.2.1 材料的制备

4.2.2 物理表征

4.2.2 电化学氢析出测试与分析

4.3 结果分析与讨论

4.3.1 物理表征分析

4.3.2 电化学氢析出性能测试与分析

4.3.3 电阻测试与分析

4.4本章小结

结论

参考文献

致谢