聚苯胺纤维基础上掺氮碳材料的制备及其氧还原性能研究

摘要

燃料电池是一种能将燃料的化学能直接转化成电能的装置，它的效率很高，且环境友好，被誉为“21世纪能源之星”。目前燃料电池还未实现大规模的商业化，一个主要原因是其阴极氧还原反应最常用的催化剂是Pt基催化剂，而Pt的价格昂贵，严重制约着燃料电池的发展。因此，制备出能够替代Pt且成本低、活性高、稳定性好的阴极氧还原催化剂，是使燃料电池实现产业化发展的关键。近年来，掺氮碳材料因低廉的价格、优异的氧还原活性、良好的抗甲醇性能以及高稳定性，获得了人们的广泛关注。
　　本论文以聚苯胺为主要原料，用不同的方法制备掺氮碳材料，通过多种表征方法分析了材料的形貌、组成及结构，并对其氧还原性能进行了研究。主要内容及结果如下:
　　(1)以聚苯胺为原料，经过喷雾干燥、高温碳化，制备掺氮碳材料。所制备的材料呈球状，平均直径为2μm，是由纤维相互缠绕形成的。研究了碳化温度对材料ORR性能的影响，结果表明，当碳化温度为900℃时，制备的掺氮碳材料（CSDP-900）的ORR性能最好，起始还原电位为-0.06V，几乎和商业Pt/C催化剂相当;极限电流密度为6.4mA·cm-2，比商业Pt/C催化剂还要高1.9mA·cm-2。由KL方程计算出CSDP-900样品的转移电子数为4.3，为直接四电子反应。CSDP-900的氧还原性能好，是因为样品中含有很高的吡啶氮和石墨氮。
　　(2)以聚苯胺和葡萄糖为原料，用水热和高温碳化活化的方法，制备了多孔掺氮碳材料。其中，碳化温度为900℃时的样品（PCPG-900）氧还原(ORR)性能最好，在0.1M的KOH溶液中，转速为1600rpm时，PCPG-900样品的起始还原电位为-0.17V，接近商业Pt/C催化剂（-0.03V）;极限电流密度为5.4mA·cm-2，比商业Pt/C催化剂(4.5mA·cm-2)高大约0.9mA·cm-2;在电压为-1.4V至-0.8V范围内，平均转移电子数为4.2，说明反应是直接4电子反应。PCPG-900样品的抗甲醇性能以及稳定性都优于商业Pt/C催化剂。PCPG-900有优异的氧还原性能，是因为其结构为多孔状，比表面积高达1788m2·g-1，平均孔直径为2.25nm，为介孔材料，能够提供很多的活性位点。
　　(3)以聚苯胺和石墨烯为原料，用水热的方法，制备了片状的掺氮碳材料。用多种表征手段证明，形成了聚苯胺和石墨烯的均匀复合材料。氧还原性能研究结果表明，聚苯胺和石墨烯的比例为4的样品（HP-GH-4）ORR性能最好。HP-GH-4的起始还原电位是-0.13V，和商业Pt/C催化剂接近，极限电流密度为6.5mA·cm-2，比商业Pt/C催化剂高2mA·cm-2，平均转移电子数为4.1，证明反应是直接4电子反应。HP-GH-4有很好的氧还原活性，是因为聚苯胺与石墨烯的复合，既增大了石墨烯的比表面积，又掺入了氮元素。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 燃料电池简介

1．2．1 燃料电池的历史

1．2．2 燃料电池的结构及工作原理

1．2．3 燃料电池的分类

1．2．4 燃料电池的应用

1．2．5 燃料电池阴极氧还原反应

1．3 燃料电池阴极氧还原催化剂

1．3．1 Pt和Pt基催化剂

1．3．2 非贵金属催化剂

1．3．3 杂原子掺杂碳材料氧还原催化剂

1．4 氮掺杂碳材料氧还原催化剂

1．4．1 氮掺杂碳材料的发展

1．4．2 氮掺杂碳材料的氧还原反应机理

1．4．3 氮掺杂碳材料的制备方法

1．4．4 氮掺杂碳材料的研究进展

1．5 本论文的研究内容及研究意义

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 研究意义

第二章 氮掺杂球状碳材料的制备及其氧还原性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要实验试剂

2．2．2 主要实验仪器

2．2．3 实验过程

2．2．4 分析表征方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 热重分析表征

2．3．2 SEM及TEM表征

2．3．3 红外表征

2．3．4 XRD表征

2．3．5 拉曼光谱表征

2．3．6 氮气吸附脱附分析

2．3．7 XPS分析

2．3．8 氮掺杂多孔碳材料氧还原性能研究

2．4 本章小结

第三章 氮掺杂多孔碳材料的制备及其氧还原性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要实验试剂

3．2．2 主要实验仪器

3．2．3 实验过程

3．2．4 分析表征方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 热重分析表征

3．3．2 SEM表征

3．3．3 红外表征

3．3．4 XRD表征

3．3．5 拉曼光谱表征

3．3．6 氮气吸附脱附分析

3．3．7 XPS分析

3．3．8 氮掺杂多孔碳材料氧还原性能研究

3．3．9 稳定性研究

3．3．10 抗甲醇性能研究

3．4 本章小结

第四章 氮掺杂二维碳材料的制备及其氧还原性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 主要实验试剂

4．2．2 主要实验仪器

4．2．3 实验过程

4．2．4 分析表征方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 SEM及TEM表征

4．3．2 红外表征

4．3．3 XRD表征

4．3．4 拉曼光谱表征

4．3．5 氮气吸附脱附曲线分析

4．3．6 氮掺杂多孔碳材料氧还原性能研究

4．4 本章小结

第五章 结论和建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

作者和导师介绍