基于N-掺杂碳材料的氧还原催化剂的制备及其电化学性能的研究
能源需求的不断增长刺激了在具有高效、低价、环境友好的量转换和能量储存方面的研究.氧还原(ORR)催化剂的研究在开发清洁高效的能量转换装置(如燃料电池、金属空气电池)中具有非常重要的意义.但是,目前开发出高效、低价、稳定的ORR催化剂仍旧具有很大的挑战.Pt及其合金依然是目前所有的ORR催化剂中催化活性最好的,但其价格昂贵以及储量匮乏,阻碍了其催化剂的实际应用.因此,许多非贵金属催化剂研究已经提上日程,研究主要包括无金属的杂原子掺杂碳材料,M-N-C催化体系等.本论文主要围绕开发M-N-C催化体系和无金属的杂原子掺杂碳材料,这两种催化剂开展以下工作:(1)通过在聚多巴胺小球(PDAs)表面原位生长层状双氢氧化物(CoFe-LDHs),合成CoFe-LDHs/PDAs复合材料,并测试其ORR催化活性.测试结果表明CoFe-LDHs/PDAs表现出比CoFe-LDHs、PDAs、甚至煅烧的CoFe-LDHs/PDAs都高的ORR催化活性,并且催化过程是4e-转移路径,同时也发现在CoFe-LDHs和PDAs之间存在协同效应.此外,CoFe-LDHs/PDAs复合材料表现出比商业购买的20%Pt/C具有更好的稳定性.为了研究催化剂ORR的催化机理,我们通过XPS研究了CoFe-LDHs和PDAs之间的相互作用,也比较了酸洗后的CoFe-LDHs/PDAs的ORR催化效果.CoFe-LDHs/PDAs复合物的催化机理复合双活性位点的ORR催化机理.我们的研究证实了双位点之间的协同效应,为设计M-N-C系列催化剂提供参考.(2)通过一种简单的实验方法和步骤合成Co-N-C催化剂体系.使用壳聚糖作为N源和C源,并通过在合成壳聚糖小球时加入EDTA二钠盐,直接螯合金属,最后通过煅烧获得Co-N-C催化剂.Co-N-C催化剂表现出很好的ORR催化活性和稳定性,是4e-转移路径.(3)利用一种含有三聚氰胺(MA)、多聚磷酸铵(APP)和聚多巴胺(PDA)的膨胀性阻燃剂作为前驱体制备N,P共掺杂分级的多孔碳材料,该催化剂并展示出优异的ORR催化活性.这个发现表明,可以通过设计前驱体,利用简单的过程合成功能碳材料.
- 作者：
- 张雪梅
- 学位授予单位：
- 安徽师范大学
- 专业名称：
- 应用化学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 王银玲
- 中图分类号：
- O643.36
- 关键词：
- 燃料电池；ORR；层状双氢氧化物；聚多巴胺；壳聚糖；Co-N-C催化剂；N、P共掺杂；碳材料
- Fuel cells； ORR； Layered Double Hydroxides； Carbon； polydopamine； Chitosan； Co-N-C catalyst； N,P-codoping