本文關(guān)鍵詞：牛骨基分級多孔炭材料的制備及其電化學性能研究

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【摘要】：多孔炭材料比表面積高、孔隙發(fā)達、導電性能優(yōu)良、化學穩(wěn)定性好,在能源和環(huán)境等領(lǐng)域應用廣泛。近年來發(fā)展的分級多孔炭材料具有三維連通的微孔-中孔-大孔的分級結(jié)構(gòu),可大幅提高多相傳質(zhì)速率,在高性能電化學材料方面具有潛在的應用價值。因此,研究開發(fā)分級多孔炭材料具有重要的科學意義與實用價值。本論文采用廉價易得的生物質(zhì),利用其精美有序的分級層狀納米結(jié)構(gòu),制備了系列的分級多孔炭材料,開展了超級電容器電極材料和氧還原電極催化劑的應用研究。首先,采用牛骨為原料,通過碳化、活化工藝制備了原位摻雜異質(zhì)原子的分級多孔炭材料。研究表明,牛骨中的有機膠原蛋白是制備高功能化炭材料的重要前驅(qū)體,無機羥基磷灰石作為天然硬模板,有利于產(chǎn)生三維連通的介孔和大孔；實現(xiàn)了炭材料的比表面、孔結(jié)構(gòu)與表面化學的可控制備。850℃活化溫度制得高介孔率的分級多孔炭,比表面積高達2520 m2g-1,孔容達到3.18 m3g-1,氮含量為1.56%,氧含量為10.2%。在此基礎上,將制備的分級多孔炭用于超級電容器電極材料,進行了電化學電容和器件性能研究。結(jié)果表明,分級多孔炭超高的比表面積有利于大幅提升雙電層電容,高比例介孔提高了傳質(zhì)效率,原位摻雜的氧、氮基團提升了表面浸潤性,增加了微孔利用率,并且通過可逆氧化還原反應增加了贗電容。測試表明,分級多孔炭比電容高達435Fg-1,倍率性能出色,且電化學穩(wěn)定性能優(yōu)異。采用分級孔炭材料作為正負極組裝的超級電容器比電容高達85.2 F g-1,2萬次循環(huán)充放電后電容保持率97.5%,輸出能量密度30.3 Wh kg-1。最后,對所制備的分級多孔炭材料進行摻雜改性,研究了其在氧還原反應中的應用。研究表明,分級多孔炭的三維連通孔道結(jié)構(gòu)有利于催化活性位點的高分散和反應中間體的傳質(zhì)。通過二茂鐵和乙二胺熱解摻雜制備的鐵氮共摻雜多級孔炭催化劑(Fe-N-HPC)表現(xiàn)出良好的氧還原催化活性,反應為準四電子過程。通過熱解維生素B12制備的鈷氮共摻雜分級多孔炭(Co-N-HPC),比表面積高達859 m2 g-1,氧還原半波電位(E1/2)比商業(yè)Pt/C高8 mV,動力學電流密度(jk@0.8V vs. RHE)為204mA cm-2,達到Pt/C的兩倍,且電化學穩(wěn)定性好,抗甲醇中毒能力強。在此基礎上,采用維生素B12為鈷源,二茂鐵為鐵源,熱解碳化制備的雙金屬共摻雜分級多孔炭(FeCo-N-HPC),氧還原催化活性進一步提高,E1/2比商業(yè)化Pt/C高23 mV,jk(@0.8V)達到51.6 mA cm-2,10000s恒電位反應電流衰減率僅為10.7%,穩(wěn)定性顯著優(yōu)于Pt/C(35.2%)。
【關(guān)鍵詞】：分級多孔炭 氮氧原位摻雜 超級電容器 贗電容 氧氣還原反應 金屬-氮-炭
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TM53
【目錄】：

• 學位論文數(shù)據(jù)集4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-18
• 符號說明18-19
• 第一章 緒論19-33
• 1.1 多孔炭材料19-20
• 1.2 分級多孔炭材料20-21
• 1.3 分級多孔炭用于超級電容器電極材料21-25
• 1.3.1 超級電容器概述21-22
• 1.3.2 超級電容器分類與儲能機理22-24
• 1.3.3 碳基超級電容器電極材料的研究進展24-25
• 1.4 分級多孔炭用于氧還原電催化材料25-30
• 1.4.1 氧還原反應概述25
• 1.4.2 氧還原反應機理25-26
• 1.4.3 氧還原催化劑的研究進展26-30
• 1.5 本課題選題思路和主要研究內(nèi)容30-33
• 1.5.1 選題意義和研究目的30-31
• 1.5.2 課題研究內(nèi)容31-32
• 1.5.3 論文創(chuàng)新點32-33
• 第二章 實驗部分33-39
• 2.1 實驗藥品及儀器33-34
• 2.2 實驗方法34-35
• 2.2.1 碳化活化制備分級多孔炭34
• 2.2.2 熱解制備鐵氮共摻雜分級多孔炭催化劑34
• 2.2.3 熱解維生素B12制備鈷氮共摻雜分級多孔炭材料34
• 2.2.4 熱解制備鐵鈷氮共摻雜分級多孔炭催化劑34-35
• 2.2.5 超級電容器電極制備工藝35
• 2.2.6 對稱電容器的組裝35
• 2.2.7 氧還原催化劑電極制備35
• 2.3 測試表征35-36
• 2.3.1 掃描電子顯微鏡35
• 2.3.2 透射電子顯微鏡35
• 2.3.3 X射線衍射儀35-36
• 2.3.4 拉曼光譜儀36
• 2.3.5 熱重分析36
• 2.3.6 X射線光電子能譜儀36
• 2.3.7 傅里葉變換紅外光譜儀36
• 2.3.8 氮氣等溫吸脫附36
• 2.4 電化學測試36-39
• 2.4.1 循環(huán)伏安測試36-37
• 2.4.2 恒流充放電測試37
• 2.4.3 交流阻抗測試37
• 2.4.4 旋轉(zhuǎn)圓盤圓環(huán)測試37
• 2.4.5 計時電流測試37-39
• 第三章 牛骨基分級多孔炭的制備及其結(jié)構(gòu)成分研究39-47
• 3.1 引言39-40
• 3.2 牛骨基分級多孔炭材料的制備40-41
• 3.3 牛骨基分級多孔炭材料的結(jié)構(gòu)與成分研究41-46
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)表征41-42
• 3.3.2 微觀形貌42-43
• 3.3.3 表面成分與表面化學狀態(tài)分析43-45
• 3.3.4 比表面與孔結(jié)構(gòu)分析45-46
• 3.4 本章小結(jié)46-47
• 第四章 氮氧原位摻雜具有高介孔率的分級多孔炭的電容性能研究47-55
• 4.1 引言47
• 4.2 電極材料的電化學性能測試47-50
• 4.2.1 電極的制備47
• 4.2.2 循環(huán)伏安測試47-49
• 4.2.3 恒流充放電測試49
• 4.2.4 交流阻抗測試49-50
• 4.3 比表面、孔結(jié)構(gòu)及雜原子對電容性能影響分析50-53
• 4.4 電極材料耐久性研究53-54
• 4.5 本章小結(jié)54-55
• 第五章 對稱超級電容器的組裝及電化學性能研究55-61
• 5.1 引言55-56
• 5.2 對稱電容器的組裝56
• 5.3 運行電勢窗口56-57
• 5.4 循環(huán)伏安測試57-58
• 5.5 恒流充放電測試58-59
• 5.6 電容器耐久性研究59
• 5.7 能量密度和功率密度59-60
• 5.8 本章小結(jié)60-61
• 第六章 鐵氮共摻雜分級多孔炭及其氧還原催化性能的研究61-73
• 6.1 引言61
• 6.2 催化劑的制備61-62
• 6.3 催化劑制備條件的優(yōu)化62-64
• 6.3.1 鐵前驅(qū)體含量對催化性能的影響63-64
• 6.3.2 炭載體比表面對催化性能的影響64
• 6.4 形貌、結(jié)構(gòu)與成分表征64-67
• 6.5 氧還原催化性能研究67-71
• 6.5.1 催化活性67-69
• 6.5.2 電化學穩(wěn)定性69-70
• 6.5.3 抗甲醇毒化性能70-71
• 6.6 活性位點的初步探究71-72
• 6.7 本章小結(jié)72-73
• 第七章 鈷氮共摻雜分級多孔炭及其氧還原催化性能研究73-85
• 7.1 引言73
• 7.2 催化劑的制備73-74
• 7.3 催化劑制備條件的優(yōu)化74-75
• 7.3.1 前驅(qū)體維生素B12與炭配比的影響74
• 7.3.2 熱解溫度的影響74-75
• 7.4 形貌、結(jié)構(gòu)與成分的表征75-79
• 7.5 氧還原催化活性79-81
• 7.6 電化學穩(wěn)定性81-82
• 7.7 抗甲醇毒化性能82-83
• 7.8 本章小結(jié)83-85
• 第八章 鐵鈷氮共摻雜分級多孔炭及其氧還原催化性能研究85-95
• 8.1 引言85
• 8.2 催化劑的制備85
• 8.3 形貌、結(jié)構(gòu)表征85-88
• 8.4 氧還原催化活性88-93
• 8.5 電化學穩(wěn)定性93-94
• 8.6 抗甲醇毒化性能94
• 8.7 本章小結(jié)94-95
• 第九章 全文總結(jié)95-97
• 參考文獻97-109
• 致謝109-111
• 學術(shù)成果及發(fā)表的論文111-113
• 作者和導師簡介113-114
• 附件114-115

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