碳基非金属氧还原电催化剂的制备与活性位的研究

发布时间：2024-05-23 01:33

　　铂基金属催化剂(PGM)的成本和稀缺性严重限制了燃料电池的商业化。因此,寻找地球上储量丰富的物质作为氧还原反应(ORR)的催化剂已成为一个重要的研究热点。由于碳具有多样化的结构、化学稳定性、高导电性和极高的表面积等优点,杂原子掺杂纳米碳材料即非金属碳基催化剂被认为是最有前景的ORR催化剂之一。虽然非金属碳基催化剂在ORR活性方面取得了显著的进展,但其活性位点和ORR机理尚不清楚。争论的焦点集中于吡啶氮、石墨氮、缺陷结构甚至痕量金属杂质在ORR中扮演的角色。然而,由于碳基材料的多样性和表面结构的复杂性,很难确定活性位点的性质。在此,通过杂原子掺杂和去除设计了一系列非金属碳基催化剂。通过调节氧浓度、氮浓度和缺陷密度,在这种非金属碳基催化剂中观察到缺陷密度和ORR活性之间的相关性。对于氧浓度或氮浓度,则没有发现与活性的相关性。值得注意的是,碳的缺陷来源于除氮和除氧,且两种类型缺陷都与ORR活性呈正相关。同时,非金属碳基催化剂检测到了痕量金属杂质(铁142 mg·kg^-1)。痕量金属的存在显著提高了氧还原活性。我们利用SCN^-离子毒化金属中心活性位点...

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【部分图文】：

图1.1无金属生长氮掺杂碳纳米管作为ORR催化剂[38]

25ORR，该研究表明，掺入的氮原子附近的碳原子可能是活性位点。自此，引起了研究非金属氧还原反应的热潮。由于上述碳纳米管(CNT)合成中需要用到金属，很多学者对于碳纳米管中是否存在痕量的金属从而影响氧还原反应提出了质疑。因此，在2010年，Dai等[38]用另一种方法合成出无金属....

图1.2不同直径的氮掺杂碳纳米

61.3.3.2硼掺杂碳ORR催化剂除了电负性较大的氮(3.04)之外，电负性较小的硼(2.04)也被认为有效的掺杂元素(碳原子电负性2.55)。胡征等[43]采用化学气相沉积法，以苯、三苯基硼烷(TPB)和二茂铁为前驱体和催化剂，采用不同的TPB浓度合成了可调硼含量为0-2.2....

图1.3酸性(左)和碱性(右)电解质的ORR过程中双电层结构示意图[62]

范围内，会发生由外球面电子转移机制引起的电荷转移过程。这些结果表明，在低pH值时O2吸附是必要的，而在高pH值由于外球电子转移的参加，O2吸附并不是必要的[56,57]。Ramaswamy、Mukerjee和Markovic等[58-61]指出在pH由0变为14的过程中，该电子转....

图1.5氮掺杂石墨烯选择性乙酰化及相应的氧还原活性[74]

最大的氧还原性能最好，而且理论计算模拟了缺陷形状的影响，发现五边形和锯齿形活性更高。2019年木士春等[78]选择具有本征五元环结构丰富的C60作为原材料，同时选用石墨烯作为对照，采用相同的处理方式，结果显示以C60作为催化剂的ORR性能更好，并且还表现出类似商业Pt/C催化剂的....

本文编号：3980813