过渡金属—氮共掺杂碳材料的制备及其在氧还原和超级电容器方面的应用

作     者：于永信 

作者单位：昌吉学院 

学位级别：硕士

导师姓名：李建辉;徐东

授予年度：2018年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：过渡金属 共掺杂碳材料 燃料电池 超级电容器 

摘      要：随着社会的不断发展,能源问题已经成为当今社会发展的重大课题。燃料电池和超级电容器作为“产能和“贮能的新型工具,因其环保且适用性广而备受材料和化学工作者的关注。材料性能的优劣制约燃料电池和超级电容器的实用化和商品化,碳基高性能材料因其经济环保适用性广等原因,是作为燃料电池阴极氧还原催化剂和超级电容器电极材料的优良选择。但是,碳基材料由于其表面形成离域的大π键,结构比较稳定等原因,催化性能有待提高。本论文研究将过渡金属(Fe、Co、Ni)和氮均匀共掺杂到碳材料中。采用热重分析(TG)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和场发射扫描电镜(FE-SEM)等手段对所制备的材料进行几何及电子结构的表征。采用CHI660E电化学工作站和RDE型旋转圆盘电极等手段,测试材料在阴极氧还原(ORR)反应及超级电容器储能性能。具体工作如下:(1)过渡金属-氮共掺杂碳材料(MNC)的制备。以过渡金属硝酸盐和三聚氰胺单体的混合物为原料,采用球磨、超声震荡等方式将过渡金属硝酸盐和三聚氰胺单体均匀混合,再在氮气中高温热处理,制备出过渡金属和氮共掺杂的碳材料(MNC),做为制备其它材料的前驱体。(2)过渡金属-氮共掺杂碳纳米管型材料(M–N/C)的制备、表征及其ORR性能测试。使用15%双氧水对MNC进行处理,即可得到M–N/C纳米管催化剂。表征结果表明,M–N/C材料是一类过渡金属和氮共掺杂的碳纳米管型的材料,因经过双氧水的表面处理,其表面比MNC具有更多的活性官能团,包括吡咯氮、吡啶氮、过渡金属–N、C≡N等,在ORR测试中发现,钴氮共掺杂的碳纳米管催化剂(Co–N/C)的性能优于镍或者铁氮共掺杂的催化剂(Ni–N/C或者Fe–N/C)。在0.1 M KOH碱性溶液中,Co–N/C催化剂的半坡电位低至832 mV,接近相同条件下商品Pt/C催化剂(半坡电位848 mV),极限扩散电流达到6.0 mA/cm,优于Pt/C的极限扩散电流5.6 mA/cm。此外,该材料的稳定性较好,表现出比Pt/C更好的抗甲醇能力。进一步地,Co和Fe双元过渡金属与氮共掺杂的碳纳米管材料(CoFe–N/C)表现出更优的电催化稳定性。(3)过渡金属-氮共掺杂碳材料MNCC的制备及其在超级电容器方面的应用研究。采用化学活化法的工艺对MNC材料进行活化,制备出具有丰富的孔洞和高表面活性点位的材料MNCC。在电化学测试中,采用CoNCC材料制成的集流体工作电极,在循环伏安法(CV)下单电极比电容达到167.5 F·g,优于FeNCC的137.2 F·g和NiNCC的149.1 F·g,三种材料在碳基碱性超级电容器电极材料中显示较高的单电极比电容量。对其进行2000次的循环伏安扫描发现其具有较高的稳定性。