多孔碳材料由于具有高比表面積、良好導(dǎo)電性、可調(diào)變的孔結(jié)構(gòu)及表面性質(zhì)等特點,在電化學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用。首先,先進碳材料可作為高功率密度、高循環(huán)穩(wěn)定性的儲能材料;其次,通過碳材料與金屬氧化物復(fù)合,可以突破鋰電池中傳統(tǒng)商業(yè)化石墨電極材料的低理論比容量(372 mAh g^-1)的限制,實現(xiàn)鋰離子電池的高能量密度的突破;再次,采用新型碳材料作為載體,通過負載非貴金屬催化劑有望為電解水制氫昂貴的Pt/C催化劑替代提供解決途徑。而在以上應(yīng)用中,對碳基（復(fù)合）材料的結(jié)構(gòu)調(diào)變、表面改性、形貌控制等對于性能的提升具有至關(guān)重要的作用。本論文圍繞新型碳基（復(fù)合）材料的設(shè)計及構(gòu)筑展開,力求實現(xiàn)其高效儲能及電催化制氫的應(yīng)用,同時通過系統(tǒng)的構(gòu)效關(guān)系研究,解釋其增效機制,為碳基材料的合理化制備提供理論指導(dǎo)。（1）以杏仁為前驅(qū)體采用模板法和原位化學(xué)活化相結(jié)合的方法制備出具有氮摻雜表面及三維分級多孔結(jié)構(gòu)的功能碳材料。當(dāng)作為超級電容器儲能材料時,最優(yōu)的杏仁衍生碳（Alm-P-K-800）展現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能,在1.0 A g^-1的電流密度下具有228F g^-1

【文章來源】：青島大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：73 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

超級電容器示意圖[7]

青島大學(xué)碩士學(xué)位論文5程中的體積膨脹。因此Co3O4/rGO-C具有較高的比電容和優(yōu)異的循環(huán)性能。最后組裝了Co3O4/rGO-||RGO非對稱超級電容器，當(dāng)功率密度為750.5WKg-1時提供了48.2WhKg-1的能量密度。1.2鋰離子電池負極材料研究進展1.2.1鋰離子電池概述鋰離子電池是移動設(shè)備中最常用的電池類型之一，它具有很高的能量密度，并且在充放電過程不存在記憶效應(yīng)[7]。如圖1.2所示鋰離子電池通常由正極、負極隔膜、電解液構(gòu)成，正極材料一般為鋰金屬氧化物，而負極通常為石墨，正負極之間充滿電解液并用隔膜隔開。鋰離子電池通過氧化還原反應(yīng)使得電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)儲能作用。在充電的過程中，鋰金屬氧化物中的Li被氧化成Li+進入到電解液中，然后Li+擴散進入負極，電子通過導(dǎo)線傳輸?shù)截摌O；在放電過程中，負極中嵌入Li+的被釋放到電解液中并擴散到正極，電子通過導(dǎo)線進入正極以提供形成鋰金屬氧化物所需的電子[25]。鋰離子電池在快速充放電的過程中會產(chǎn)生極化導(dǎo)致功率密度降低，這種極化受電極材料的導(dǎo)電性、電極和電解液界面的導(dǎo)電性以及Li+的擴散速率有關(guān)。碳材料具有大比表面積、高導(dǎo)電性、微孔/介孔結(jié)構(gòu)等特性，有利于提高電子傳輸速率，有利于縮短離子擴散路徑，有利于提高Li+的嵌入和脫嵌速率。因此碳材料在鋰離子電池的應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力。圖1.2鋰離子電池示意圖[7]Fig.1.2schematicofLi-ionbatteries

青島大學(xué)碩士學(xué)位論文9堿性環(huán)境中Volmer、Heyrovsky、Tafel反應(yīng)機理方程式如下：H2O+M+e-=MHads+OH-VolmerH2O+e-=M+OH-+H2↑Heyrovsky2MHads=2M+H2↑Tafel其中Hads是吸附氫，M是催化劑材料[46]。Δ可以用來描述HER反應(yīng)速率，當(dāng)時，H*和電極表面的結(jié)合更為Δ<0有利，使得Volmer反應(yīng)更加容易，但是接下來的Heyrovsky反應(yīng)和Tafel反應(yīng)將會變得困難；當(dāng)Δ時，雖然Heyrovsky反應(yīng)和Tafel反應(yīng)變得容易，但Volmer>0反應(yīng)將變得困難，使得整個反應(yīng)緩慢進行。因此想要提高HER反應(yīng)速率，催化劑的Δ必須接近于0[47]。圖1.3酸性和堿性環(huán)境中HER反應(yīng)路徑圖[48]Fig.1.3Schematicpathwaysforhydrogenevolutionreactionunderacidicandalkalineconditions1.3.2HER催化劑研究1.3.2.1貴金屬催化劑Pt、Ru、Rh、Ir、Pd等貴金屬是優(yōu)良的HER催化劑，其中Pt基催化劑是最有效、最穩(wěn)定的HER催化劑。但是高昂的價格、較低的儲量限制了此類催化劑的應(yīng)用。因此降低Pt的負載量，提高Pt的利用率很關(guān)鍵。為了有效利用Pt基催化劑，有三種策略：(1)設(shè)計合成合理的納米結(jié)構(gòu)來提高比表面積和活性位點；(2)在低成本材料上沉積單層Pt；(3)將Pt和其他金屬合金化[49]。Bai等人[50]制備了一種Pt層厚度可控的Pt@Pd核殼結(jié)構(gòu)納米材料，并將其負載


本文編號：3351075