氮掺杂还原石墨烯复合材料的制备及在电催化氧还原中的应用研究

作     者：丁蕊 

作者单位：福建师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈盛

授予年度：2015年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：氧化石墨烯 还原石墨烯 三氧化二铁 四氧化三钴 氧还原反应 水热合成 

摘      要：本研究主要涵盖以下三个部分：第一,以石墨粉为原材料,利用Hummers的改进方法制备氧化石墨烯(GO)。对产物进行扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、紫外可见光谱(UV)和热重分析(TGA)。结果显示：GO的表面有明显的褶皱和蜷曲,且具有大量的含氧官能团,在水中分散性能良好。第二,以GO为主体材料,以铁氰化钾(K3[Fe(CN)6])为铁的金属前驱体和氮源,通过水热法制备出掺氮还原石墨烯/α-Fe2O3纳米盘复合材料(NG/α-Fe2O3)。通过SEM、TEM、XRD、X射线能谱(EDS、X射线光电子能谱(XPS)、激光拉曼FTIR以及TGA对产物进行表征,结果显示：生成了盘状的α-Fe2O3并附载在在掺氮还原石墨烯表面,且N在NG/α-Fe2O3中的掺杂量为6.13 at%。将NG/α-Fe2O3作为电极修饰材料,利用电化学手段对NG/α-Fe2O3的电催化氧还原(ORR)性能进行测试,以10.0 mL 1.5 mg·mL-1K3[Fe(CN)6]和10.0 mL 1.0 mg·mL1-GO为最佳制备条件,测试结果表明：在CV测试条件下,峰电位约为-0.201 V,峰电流密度为62.00 μA·cm2;对O2的电催化还原过程含有2电子和4电子途径;经过7200s的连续扫描后,电流衰减量为26.02%,与20% Pt/C相比更为稳定(20%Pt/C衰减量为35.18%);此外,该材料还具有优于20% Pt/C的抗甲醇干扰性能,有望在燃料电池阴极催化剂上具备一定的应用价值。第三,以GO、氯化钴(CoCl2·6H2O)、氨水(NH3·H2O)为原料,通过水热法制备出掺氮还原石墨烯／四氧化三钴复合材料(NG/Co3O4)。通过SEM、TEM、XRD、 EDS、XPS、Raman、FTIR、TGA对产物的组成结构进行表征,结果显示：生成的C0304为片层状,生长在掺氮还原石墨烯纳米层上;且N的掺杂量为10.43 at%。通过电化学测试对NG/Co3O4的ORR催化性能表征,结果显示当加入：8.0mL NH3·H2O(含量为25-28%)、10.0 mL 1.5 mg·mL-1的GO和5.0mL 2.0 mg·mL-1的CoCl2寸,该材料具有较好的ORR催化性能。其中,峰电位约为-0.163 V,峰电流密度为73.01 μA·cm-2;氧还原反应主要以4电子途径进行;经过7200 s的连续扫描后,电流衰减量为28.36%,比20%Pt/C稳定;此外,该材料的抗甲醇干扰性能也优于20% Pt/C,在燃料电池阴极催化材料领域将有潜在的应用价值。