多元素?fù)诫s的納米多孔材料的合成及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、目前，能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)能源的日漸耗盡將無(wú)法適應(yīng)社會(huì)的高速發(fā)展。燃料電池作為一種高性能、綠色無(wú)污染的新型能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。燃料電池將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)換效率高。陰極的氧化還原反應(yīng)(簡(jiǎn)稱(chēng)ORR)，是影響燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)最主要的限制因素。當(dāng)前，ORR活性最高的鉑系催化劑存在成本高、儲(chǔ)量少、耐用性不高等缺點(diǎn)，大大限制了它在燃料電池工業(yè)化方面的應(yīng)用。與商用的貴金屬催化劑

2、相比，非貴金屬催化劑得到了越來(lái)越多的關(guān)注。碳材料尤其是雜原子摻雜的碳材料，具有良好的ORR催化活性，很高的抗甲醇和一氧化碳中毒能力和優(yōu)越的穩(wěn)定性，得到了高度關(guān)注。此外，氫氣是一種環(huán)境友好型的燃料，可以用于電化學(xué)電池為車(chē)輛、電子設(shè)備提供動(dòng)力，解決能源危機(jī)。析氫反應(yīng)(HER)是電解法制備氫氣的重要過(guò)程，因此找到一種有效的電化學(xué)催化劑成為了研究熱點(diǎn)。
　　本論文采用金屬有機(jī)框架化合物(簡(jiǎn)稱(chēng)MOFs)作為基體，通過(guò)后合成改性進(jìn)行P摻雜，再

3、通過(guò)高溫碳化得到氮磷共摻雜的納米多孔碳材料，在ORR和HER方面具有較好的催化活性，為開(kāi)發(fā)雙功能催化劑提供了一種新途徑。本研究主要內(nèi)容如下:
　　1)采用含氮的多孔MOF材料—UiO-66-NH2作為自犧牲模板，同時(shí)作為碳源和氮源，再通過(guò)一步后合成修飾(PSM)與摻P劑反應(yīng)得到富氮磷的前驅(qū)體，碳化后再用酸洗得到的氮磷共摻雜的納米多孔碳材料。研究了碳化溫度對(duì)碳材料結(jié)構(gòu)和性能的影響，結(jié)果表明950℃下得到的樣品ORR性能最好。并通過(guò)對(duì)

4、比實(shí)驗(yàn)，直接碳化UiO-66和UiO-66-NH2，探索了磷和氮元素在ORR中所起的作用，證明磷和氮元素在催化ORR反應(yīng)時(shí)的協(xié)同效應(yīng)。
　　2)以UiO-66-NH2為基體，碳化后再用酸洗得到的氮磷共摻雜的納米多孔碳材料，具有較高的BET比表面積（1095 m2/g），表現(xiàn)出良好的ORR催化性能。在0.1 M KOH條件下，催化活性與20％ Pt/C相當(dāng)，起始電位為0.98V，半波電位為0.80V，極限擴(kuò)散電流密度為4.83mA/

5、cm2，在0.6V時(shí)電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.83。而且，P-N-Carbon-950不發(fā)生甲醇中毒現(xiàn)象，在0.6V條件下6小時(shí)計(jì)時(shí)電流測(cè)試表明P-N-Carbon-950的電流下降約5％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于20％ Pt/C催化劑的33％，具有很好的長(zhǎng)期操作穩(wěn)定性。
　　3)以MIL-101-NH2(Fe)為基體，通過(guò)上述類(lèi)似方法得到的磷氮共摻雜的碳材料，具有ORR和HER雙功能催化劑的特性。在0.1 MKOH條件下，起始電位為0.99V，半波電位為