本文關(guān)鍵詞：基于動(dòng)物毛發(fā)的氮硫共摻雜多孔碳材料制備及其氧還原電催化性能

  更多相關(guān)文章： 燃料電池 氧還原反應(yīng) 生物炭 氮硫共摻雜 比表面積 孔結(jié)構(gòu)

【摘要】：生物質(zhì)作為可再生資源,具有貯藏量大,環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn),因而被認(rèn)為是合成碳材料的理想原材料。由于很多生物質(zhì)除碳外還含有豐富的氮和硫,因而近些年被廣泛地用作前驅(qū)體合成摻雜碳材料應(yīng)用于燃料電池催化劑,表現(xiàn)出良好的氧還原反應(yīng)(ORR)性能。因此,本文利用動(dòng)物毛發(fā)作為原材料通過硬模板法、水熱法制備多孔碳材料,并研究摻雜量、比表面積、孔道結(jié)構(gòu)對材料性能的影響。主要內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)采用三種動(dòng)物毛發(fā)(豬毛,雞毛,頭發(fā))化學(xué)降解得到的多肽為氮、硫、碳的前驅(qū)體,氧化鎂為硬模板劑,直接熱處理得到氮硫共摻雜的多孔碳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,模板劑用量較大時(shí)得到的材料比表面積越大,性能越優(yōu)異,裂解溫度越高氮的摻入量越低,硫的摻入量越高,石墨化程度增大。通過對比分析,發(fā)現(xiàn)雞毛為原料制備的催化劑性能最好,最佳模板劑用量比例(多肽:MgO)為1:2,熱處理溫度為900℃,制備的多孔氮硫共摻雜碳材料比表面積為493.0 m2 g-1,在堿性條件下,ORR起始電位、半波電位和峰電位,均接近商用Pt/C催化劑,動(dòng)力學(xué)電流密度為3.83 mA cm-2,且經(jīng)過3000循環(huán)后電流保持率為89.8%,優(yōu)于Pt/C催化劑(76.5%)。(2)采用雞毛降解得到的多肽粉末作為有機(jī)配體,硝酸鋅為絡(luò)合劑,經(jīng)過水熱反應(yīng),制備得到金屬有機(jī)配位聚合物(MOCP-Zn)作為中間體,直接熱處理中間體得到氮硫共摻雜多孔碳(NSC)。結(jié)果表明,優(yōu)化得到的NSC-3.5材料比表面積達(dá)到828.9 m2g-1,在酸堿性條件下均表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR催化活性、抗甲醇滲透性和穩(wěn)定性,尤其是在酸性條件下活性接近商用Pt/C催化劑,峰電位為0.34 V,轉(zhuǎn)移電子數(shù)為3.98,3000圈后仍維持100%的電流保持率,展現(xiàn)出其在質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)證實(shí),NSC-3.5的ORR催化性能優(yōu)異得益于較高的吡啶氮和石墨氮的總量、高比表面積、豐富的孔結(jié)構(gòu)。此外,論文還揭示了生物質(zhì)經(jīng)絡(luò)合反應(yīng)和生物礦化作用生成氮硫共摻雜碳材料的生長機(jī)理,為廢棄生物質(zhì)制備大比表面積的非金屬摻雜生物碳材料提供了新的方法。
【關(guān)鍵詞】：燃料電池 氧還原反應(yīng) 生物炭 氮硫共摻雜 比表面積 孔結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36;TQ127.11
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-27
• 1.1 引言11-16
• 1.1.1 燃料電池及陰極催化劑簡介11-13
• 1.1.2 單摻雜碳材料陰極催化劑13-14
• 1.1.3 共摻雜或多摻雜碳材料陰極催化劑14-15
• 1.1.4 非金屬摻雜碳材料陰極催化劑的挑戰(zhàn)與展望15-16
• 1.2 生物質(zhì)制備碳材料的方法16-20
• 1.2.1 水熱碳化法（HTC）16-18
• 1.2.1.1 高溫水熱碳化法17
• 1.2.1.2 低溫水熱碳化法17-18
• 1.2.2 活化法18-20
• 1.2.2.1 物理活化法18-19
• 1.2.2.2 化學(xué)活化法19-20
• 1.3 多孔碳材料的制備20-26
• 1.3.1 微孔碳材料的制備21-23
• 1.3.1.1 無序微孔碳材料的制備21-22
• 1.3.1.2 有序微孔碳材料的制備22-23
• 1.3.2 介孔碳材料的制備23-25
• 1.3.2.1 無序介孔碳材料的制備23-24
• 1.3.2.2 有序介孔碳材料的制備24-25
• 1.3.3 大孔碳材料的制備25-26
• 1.4 本課題的研究目的和內(nèi)容26-27
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分27-32
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器27-28
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑27-28
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器28
• 2.2 碳材料催化劑的表征28-30
• 2.2.1 掃描電子顯微鏡（SEM）29
• 2.2.2 透射電子顯微鏡（TEM）29
• 2.2.3 X射線光電子能譜（XPS）29
• 2.2.4 能量散射譜（EDS）29
• 2.2.5 拉曼表征（Raman）29
• 2.2.6 比表面積表征（BET）29-30
• 2.2.7 元素分析30
• 2.2.8 傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）30
• 2.2.9 X射線衍射（XRD）30
• 2.3 催化劑的電催化性測試30-32
• 2.3.1 電極的制備30-31
• 2.3.2 催化劑的電催化性能測試31-32
• 2.3.2.1 循環(huán)伏安法（CV）31
• 2.3.2.2 線性伏安掃描法（LSV）31
• 2.3.2.3 表觀電子轉(zhuǎn)移數(shù)和動(dòng)力學(xué)電流的計(jì)算31-32
• 第三章 以氧化鎂為模板劑的氮硫共摻雜多孔碳材料的制備及其氧還原性能32-46
• 3.1 氮硫共摻雜多孔碳材料的制備32-33
• 3.2 氮硫共摻雜多孔碳材料的表征33-39
• 3.2.1 氮硫共摻雜多孔碳材料的結(jié)構(gòu)表征33-37
• 3.2.2 氮硫共摻雜多孔碳材料的成分及含量表征37-39
• 3.3 氮硫共摻雜多孔碳材料的氧還原性能39-45
• 3.3.1 氮硫共摻雜多孔碳材料的循環(huán)伏安曲線及極化曲線39-41
• 3.3.2 氮硫共摻雜多孔碳材料的電子轉(zhuǎn)移數(shù)及動(dòng)力學(xué)電流測定41-43
• 3.3.3 氮硫共摻雜多孔碳材料的穩(wěn)定性能測試及抗甲醇性能43-45
• 3.4 結(jié)論45-46
• 第四章 以硝酸鋅為絡(luò)合劑的氮硫共摻雜多孔碳材料的制備及其氧還原性能46-67
• 4.1 氮硫共摻雜大比表面積多孔碳材料的制備46-47
• 4.1.1 雞毛的降解46-47
• 4.1.2 金屬有機(jī)配位聚合物的制備47
• 4.1.3 熱處理前驅(qū)體47
• 4.2 氮硫共摻雜大比表面積多孔碳材料的表征47-51
• 4.2.1 氮硫共摻雜大比表面積多孔碳材料的結(jié)構(gòu)表征47-49
• 4.2.2 氮硫共摻雜大比表面積多孔碳材料的成分及含量表征49-51
• 4.3 氮硫共摻雜大比表面積多孔碳材料的氧還原性能測試51-58
• 4.3.1 氮硫共摻雜大比表面積多孔碳材料的循環(huán)伏安測試及極化曲線測試51-52
• 4.3.2 氮硫共摻雜碳絮的電子轉(zhuǎn)移數(shù)及動(dòng)力學(xué)電流測定52-54
• 4.3.3 殘留Zn的作用分析54-55
• 4.3.4 氮硫共摻雜大比表面積多孔碳材料的抗甲醇性能及穩(wěn)定性55-58
• 4.4 氮硫共摻雜碳絮的生長機(jī)理58-65
• 4.4.1 生長機(jī)理解釋58-61
• 4.4.2 生長機(jī)理驗(yàn)證61-65
• 4.5 結(jié)論65-67
• 結(jié)論67-69
• 參考文獻(xiàn)69-80
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果80-81
• 致謝81-82
• 附件82

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李曉俊;司德君;方均;姜志全;黃偉新;;鐵和鈰共摻雜二氧化鈦中的協(xié)同效應(yīng)(英文)[J];Chinese Journal of Chemical Physics;2006年06期

2 李玲;張文明;孫建紅;賴偉東;李曉葦;;釩氮共摻雜納米二氧化鈦光觸媒乳液的制備及性能研究[J];信息記錄材料;2013年01期

3 孟波;王曉晶;李雪;劉云義;;低溫溶膠法制備鎢、氮共摻雜二氧化鈦光催化劑的研究[J];鋼鐵釩鈦;2013年05期

4 魏鳳玉;曾華靈;師彬;崔鵬;彭書傳;;硫與鐵共摻雜對二氧化鈦光催化性能的影響[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2008年09期

5 雷澤;杜孟衣;韓敏芳;;凝膠固相反應(yīng)法制備鈧、鈰共摻雜氧化鋯粉體[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2013年09期

6 趙江平;楊小妮;王建軍;;共摻雜Cu-Ce/TiO_2光催化性能研究[J];材料導(dǎo)報(bào);2012年04期

7 房麗婷;曾和平;雷亞玲;呂梅香;;稀土釔-鋁共摻雜氧化鋅透明薄膜的光學(xué)性能研究[J];華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2014年02期

8 彭益文;曾和平;余力;;納米鈰-鋁共摻雜氧化鋅透明薄膜的光學(xué)性能研究[J];華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2012年04期

9 王虹;王鵬;;鐵、鈰共摻雜納米TiO_2溶膠的制備及抗菌性能(英文)[J];無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào);2009年11期

10 趙江平;劉加平;張浩;;共摻雜Cu-Ce/TiO_2光催化降解室內(nèi)甲醛氣體的研究[J];新型建筑材料;2011年07期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 吳娟;侯健;張敏;楊建軍;;水熱法制備鉬氮共摻雜二氧化鈦納米管陣列薄膜及其性能研究[A];第十三屆全國太陽能光化學(xué)與光催化學(xué)術(shù)會(huì)議學(xué)術(shù)論文集[C];2012年

2 李榮斌;;硼-氮原子共摻雜金剛石研究[A];2006年全國功能材料學(xué)術(shù)年會(huì)專輯[C];2006年

3 沈少華;延衛(wèi);郭烈錦;;碳氮共摻雜二氧化鈦的合成與制氫性能研究[A];2004年全國太陽能光化學(xué)與光催化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2004年

4 王藝聰;林月緒;林深;;氮硫共摻雜錫酸鋅的制備及其可見光催化性能[A];中國化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第11分會(huì)場摘要集[C];2010年

5 司偉;翟玉春;丁超;;激活離子共摻雜納米晶Y_2O_3:Eu~(3+)的熒光性能研究[A];中國化學(xué)會(huì)第二十五屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集（上冊）[C];2006年

6 張玲;李玲;牟宗剛;;B、C、N共摻雜對TiO_2微結(jié)構(gòu)及催化性能的影響研究[A];2011中國材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

7 高X;傅敏;湯敏;;鐵氮共摻雜納米TiO_2的結(jié)構(gòu)及光催化性活性[A];重慶市化學(xué)化工學(xué)會(huì)2009學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2009年

8 周亮;馮婧;鄧瑞平;李曉娜;李希艷;張洪杰;;載流子平衡的改善和復(fù)合區(qū)間的加寬延緩了銪配合物共摻雜電致發(fā)光器件的效率衰減[A];第七屆全國稀土發(fā)光材料學(xué)術(shù)研討會(huì)會(huì)議論文摘要集[C];2011年

9 馮寧東;鄭安民;王強(qiáng);徐君;喻志武;鄧風(fēng);;硼氮共摻雜TiO_2中硼結(jié)構(gòu)的固體核磁共振研究[A];第十五屆全國分子篩學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C];2009年

10 王藝聰;林深;;氮、硫共摻雜錫酸鍶的制備及其可見光催化性能[A];中國化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)第11分會(huì)場摘要集[C];2012年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前9條

1 王輝;釔共摻雜的摻鉺氧化鋁光致發(fā)光增強(qiáng)機(jī)制研究[D];大連理工大學(xué);2008年

2 徐凌;金屬非金屬共摻雜TiO_2的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D];華中科技大學(xué);2010年

3 申赫;穩(wěn)定的鋰氮共摻雜p型氧化鋅及其光電器件研究[D];中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2014年

4 孫現(xiàn)科;共摻雜SiC基稀磁半導(dǎo)體的局域結(jié)構(gòu)、磁和電輸運(yùn)性能[D];天津大學(xué);2014年

5 劉一鳴;多層復(fù)合與共摻雜TiO_2薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及性能研究[D];太原理工大學(xué);2014年

6 王嘯;稀土共摻雜氧化物的光致發(fā)光的研究[D];復(fù)旦大學(xué);2011年

7 陳琦麗;N/F摻雜及N-F共摻雜TiO_2(101)表面特性的第一性原理研究[D];華中科技大學(xué);2009年

8 王加軍;半導(dǎo)體光催化材料中摻雜和耦合機(jī)理的第一性原理研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

9 袁國棟;Al-N共摻雜實(shí)現(xiàn)p型ZnO的機(jī)理及其相關(guān)器件基礎(chǔ)研究[D];浙江大學(xué);2006年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王家恒;N與過渡金屬Ag、V共摻雜TiO_2光學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)與理論研究[D];太原科技大學(xué);2015年

2 吳孔強(qiáng);硅氟共摻雜二氧化鈦基復(fù)合材料的制備及其光催化性能研究[D];江蘇大學(xué);2016年

3 王檳強(qiáng);銀氮共摻雜二氧化鈦的制備及其抗菌性能研究[D];福州大學(xué);2014年

4 張俊川;氮硫共摻雜碳微球的溶劑熱法制備及電化學(xué)性能研究[D];燕山大學(xué);2016年

5 高煒;鋱、鏑A位共摻雜鐵酸鉍納米薄膜多鐵特性的研究[D];內(nèi)蒙古大學(xué);2016年

6 吳剛;雙陰離子共摻雜鈮酸鈉光催化活性的第一性原理研究[D];西南大學(xué);2016年

7 李澤演;碳與金屬離子共摻雜TiO_2的第一性原理研究[D];云南大學(xué);2016年

8 方雅君;基于動(dòng)物毛發(fā)的氮硫共摻雜多孔碳材料制備及其氧還原電催化性能[D];華南理工大學(xué);2016年

9 鄧林艷;共摻雜BiFeO_3基多鐵性陶瓷與薄膜的制備及性能研究[D];上海師范大學(xué);2016年

10 彭美發(fā);Ag-S共摻雜p型ZnO的第一性原理研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2016年

，

本文編號(hào)：1097240