氧還原過(guò)程是金屬空氣-電池、燃料電池等能量轉(zhuǎn)換與存貯裝置的一個(gè)非常重要的反應(yīng),但是其緩慢的動(dòng)力學(xué)限制了金屬空氣-電池以及燃料電池的發(fā)展。目前促進(jìn)此遲滯反應(yīng)的催化劑是商業(yè)鉑碳,但是鉑的儲(chǔ)量非常少而且價(jià)格昂貴,限制了這些新能源裝置的大規(guī)模推廣。由于具有良好的電子轉(zhuǎn)移速率、機(jī)械強(qiáng)度和高透光率,石墨烯便引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。過(guò)渡金屬和雜原子的引入使石墨烯的電化學(xué)性能進(jìn)一步提高,因此石墨烯被研究者們認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的非貴金屬氧還原催化劑之一。但是石墨烯層間非常容易發(fā)生堆疊和自聚現(xiàn)象,這就導(dǎo)致石墨烯的比表面積大大減小,從而使電化學(xué)性能降低。目前研究者們通常采用硬模板法將二維結(jié)構(gòu)的石墨烯轉(zhuǎn)換成三維多孔結(jié)構(gòu),但是硬模板法使用金屬鎳或者二氧化硅作為模板,制備方法繁瑣復(fù)雜。因此,本論文開(kāi)發(fā)了一種全新的非外加模板一步合成法制備高效的三維多孔氮/硫摻雜石墨烯催化劑,并考察了它們?cè)趬A性介質(zhì)中的氧氣還原催化效果,采用SEM、TEM、氮?dú)馕摳綔y(cè)試、XRD以及XPS等對(duì)催化劑的組成和結(jié)構(gòu)做了形貌表征,并用CV、RDE、RRDE和鋅-空電池發(fā)電等電化學(xué)技術(shù)分析氧還原動(dòng)力學(xué)和催化機(jī)理,以期探討影響氧還原活性的關(guān)... 

【文章來(lái)源】：東華大學(xué)上海市 211工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

燃料電池組成及工作原理圖[1]Figure1-1Thecomponentsandprincipleoffuelcells

1.2.1引言石墨烯是由一層碳原子呈正六邊形以共價(jià)鍵方式結(jié)合而成的二維晶體（如圖1-2）。它機(jī)械強(qiáng)度超高、導(dǎo)熱效果優(yōu)異、透光率高、比表面積超大、電子轉(zhuǎn)移速率超快[6]。石墨烯的碳原子之間以作用力較強(qiáng)共價(jià)鍵相結(jié)合，因此常溫條件下周圍的碳原子間即使發(fā)生擠撞現(xiàn)象，石墨烯中的電子也幾乎不會(huì)受到干擾。石墨烯是到目前為止發(fā)現(xiàn)的最薄也是結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定的一種碳納米材料[7]。石墨烯中的電子又被稱為狄拉克-費(fèi)米子(Dirac-Fermion)[8,9]，這樣的色散關(guān)系導(dǎo)致載流子能在電子和空穴之間連續(xù)轉(zhuǎn)變，決定了石墨烯“零帶隙”半導(dǎo)體的屬性。石墨烯的高遷移率[10]、室溫量子霍爾效應(yīng)[11]、高熱導(dǎo)率[12]及對(duì)可見(jiàn)光的高透射率[13]都與其特殊的能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，這賦予了石墨烯多種獨(dú)特的物理特性。但是石墨烯的二元對(duì)稱結(jié)構(gòu)也使石墨烯性質(zhì)缺少了調(diào)制的空間。在石墨烯晶格內(nèi)引入雜原子是打破石墨烯對(duì)稱結(jié)構(gòu)的重要方法之一，而且可以根據(jù)雜原子的含量、位置和結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)制其性能。其中，氮原子因?yàn)榫哂泻吞荚酉嘟某叽纾菀浊度氲绞┕羌苤袑?shí)現(xiàn)摻雜而引起研究者們的高度關(guān)注[14]

羰基、羧基以及環(huán)氧基等基團(tuán)，使石墨層剝離開(kāi)，以此得到氧化石墨，之后再利用熱處理、攪拌或者超聲等方法使氧化石墨剝離成氧化石墨烯，最后再通過(guò)化學(xué)還原或者高溫還原等還原法去除氧化石墨烯中的含氧官能團(tuán)得到石墨烯（如圖1-4）。氧化還原法具有成本低、易功能化、產(chǎn)量高、性質(zhì)可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，因此其受到研究者們的廣泛關(guān)注，目前最常用的是 Hummers 法[39]。通常，實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯都是通過(guò)氧化還原法，因?yàn)榇朔椒ǔ杀据^低，不需要很昂貴的設(shè)備，同時(shí)氧化還原法反應(yīng)條件較 CVD 法和外延生長(zhǎng)法更溫和，反應(yīng)過(guò)程也較好控制，但是氧化還原法制備的石墨烯存在缺陷，這就導(dǎo)致了石墨烯的各項(xiàng)性能包括光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)等下降。氧化石墨烯和氧化石墨都不具有導(dǎo)電性，因?yàn)槠?sp2雜化網(wǎng)絡(luò)被打破了

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Electrochemical synthesis of sulfur-doped graphene sheets for highly efficient oxygen reduction[J]. Shuhua Li,Ling Ding,Louzhen Fan.  Science China Chemistry. 2015(03)
[2](100)晶面擇優(yōu)的鉑銥合金立方體納米顆粒的可控制備及其高電催化活性（英文）[J]. 鐘澄,劉杰,倪正洋,鄧意達(dá),陳彬,胡文彬.  Science China Materials. 2014(01)
[3]石墨烯產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 談述戰(zhàn),王夢(mèng)媚,葛傳良,劉毅,王德禧.  工程塑料應(yīng)用. 2013(08)
[4]石墨烯的制備與應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 關(guān)磊.  電子元件與材料. 2012(04)



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