發(fā)布時(shí)間：2018-04-23 12:57

  本文選題：石墨烯 + 摻雜�。� 參考：《東南大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池是一種具有高能源轉(zhuǎn)換效率與低污染等優(yōu)點(diǎn)的燃料電池。這類電池一般以氫氣作為燃料,氧氣作氧化劑,其工作效率很大程度取決于電池陰極上的氧還原反應(yīng)(Oxygen Reduction Reaction, ORR)速率。但在通常情況下,該反應(yīng)的速率較低,因此需要加入合適的催化劑來加速反應(yīng),進(jìn)而提高電池的工作效率。近年來隨著碳材料(例如石墨烯、碳納米管等)研究的日益深入,已有大量數(shù)據(jù)表明與商業(yè)化的含鉑催化劑相比,氮摻雜碳材料也具有顯著的氧還原催化活性。同時(shí)因碳材料具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),而被視為在未來可能得到大規(guī)模應(yīng)用的一類氧還原反應(yīng)催化劑。本論文主要是圍繞氮摻雜石墨烯作為氧還原反應(yīng)催化劑所開展的一些工作。(1)從合成體系入手,在水熱法制備氮摻雜石墨烯的基礎(chǔ)上,以氧還原催化性能為判斷依據(jù),從不同溶劑、不同氮源兩個(gè)方面探討了在本論文的實(shí)驗(yàn)條件下氮摻雜石墨烯的最佳合成環(huán)境。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步摻入金屬元素,制備得到了具有良好氧還原催化活性的鐵鈷氮共摻雜石墨烯。并結(jié)合X射線光電子能譜、拉曼光譜、電化學(xué)等檢測(cè)方法,推斷氮、氧、碳與金屬元素在該體系中對(duì)氮摻雜石墨烯的結(jié)構(gòu)與催化性能所具有的影響。(2)從初始氧化石墨烯的氧化程度入手,通過使用不同氧化劑、延長反應(yīng)時(shí)間、增大氧化劑與石墨的配比等途徑,合成了具有不同含氧量的氧化石墨烯,并以此為碳源,雙氰胺為氮源,制備得到了一系列氮摻雜石墨烯,通過電化學(xué)測(cè)試以評(píng)價(jià)初始氧化石墨烯的氧化程度對(duì)氮摻雜石墨烯氧還原催化性能的影響。結(jié)果表明,在本論文的實(shí)驗(yàn)條件下,以氧化程度較高的氧化石墨烯為碳源時(shí),制得的氮摻雜石墨烯表現(xiàn)出以四電子途徑為主導(dǎo)的反應(yīng)過程,氧還原催化性能較高。(3)從最終的氮摻雜石墨烯入手,嘗試用強(qiáng)還原劑水合肼與氫碘酸對(duì)氮摻雜石墨烯進(jìn)行還原以去除其中殘留的含氧基團(tuán),從而提高氮摻雜石墨烯的氧還原催化性能。電化學(xué)測(cè)試表明,經(jīng)水合肼和氫碘酸作用后氮摻雜石墨烯的電流密度有所降低,而起峰電位皆有所負(fù)移。同時(shí)借助x射線光電子能譜、掃描電子顯微鏡等表征手段從組成與形貌上對(duì)該現(xiàn)象作出推斷解釋。結(jié)果表明,氫碘酸作用后會(huì)導(dǎo)致氮摻雜石墨烯原本的層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生聚合；而水合肼雖然對(duì)氮摻雜石墨烯有一定還原作用,但會(huì)導(dǎo)致氮摻雜石墨烯中氮含量的下降,降低氧還原催化性能。
[Abstract]:Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is a fuel cell with high energy conversion efficiency and low pollution. Hydrogen is generally used as fuel and oxygen as oxidant. The efficiency of this kind of cells depends largely on the rate of oxygen Reduction reaction (ORR) on the cathode of the cell. But in general, the reaction rate is low, so it is necessary to add the appropriate catalyst to accelerate the reaction and improve the efficiency of the battery. In recent years, with the increasing research of carbon materials (such as graphene, carbon nanotubes, etc.), a large number of data show that nitrogen doped carbon materials also have significant catalytic activity for oxygen reduction compared with commercial platinum catalysts. At the same time, because of the advantages of low cost and high stability, carbon materials are regarded as a kind of oxygen reduction catalysts which may be widely used in the future. This thesis mainly focuses on the work of nitrogen-doped graphene as a catalyst for oxygen reduction reaction, starting from the synthesis system, on the basis of hydrothermal preparation of nitrogen-doped graphene, and judging the catalytic performance of oxygen reduction. The optimum synthesis environment of nitrogen-doped graphene was studied from two aspects of different solvents and different nitrogen sources under the experimental conditions in this paper. On this basis, the Fe-Co N co-doped graphene with good catalytic activity for oxygen reduction was prepared by adding metal elements. Combined with X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy and electrochemical methods, nitrogen, oxygen, The effect of carbon and metal elements on the structure and catalytic performance of nitrogen-doped graphene in this system. Graphene oxide with different oxygen content was synthesized by increasing the ratio of oxidant to graphite, and a series of nitrogen-doped graphene was prepared by using it as carbon source and dicyandiamide as nitrogen source. The effect of the oxidation degree of the initial graphene oxide on the catalytic performance of nitrogen-doped graphene oxide reduction was evaluated by electrochemical test. The results show that the nitrogen-doped graphene exhibits a four-electron pathway when graphene oxide with high degree of oxidation is used as carbon source under the experimental conditions in this paper. Starting with the final nitrogen-doped graphene, the nitrogen-doped graphene was reduced by strong reductant hydrazine hydrate and hydroiodate to remove the residual oxygen groups. Therefore, the catalytic performance of nitrogen-doped graphene in oxygen reduction was improved. The electrochemical measurements showed that the current density of nitrogen-doped graphene was decreased and the peak potential shifted negatively after the action of hydrazine hydrate and iodate acid. At the same time, by means of X-ray photoelectron spectroscopy and scanning electron microscope, this phenomenon is inferred and explained in terms of composition and morphology. The results show that hydrogen iodate can lead to the polymerization of the original layered structure of nitrogen-doped graphene, while hydrazine hydrate can reduce the nitrogen content of nitrogen-doped graphene, although it can reduce the content of nitrogen-doped graphene. Reduce the catalytic performance of oxygen reduction.
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ127.11;TM911.4

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本文編號(hào)：1792068