改性碳基材料的固相合成及电催化两电子氧还原性能研究

作     者：张婷婷 

作者单位：内蒙古民族大学 

学位级别：硕士

导师姓名：段莉梅

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：电催化氧还原 过氧化氢 科琴黑 表面氧化 掺杂 

摘      要：电催化两电子氧还原反应(2eORR)制备过氧化氢(HO)的方法相较于传统工业上制备HO的蒽醌法来说,具有绿色环保、安全可靠、处理效率高等优点。本文通过表面氧化处理和硼氮掺杂等方法,对碳材料(科琴黑,KB)进行改性,并通过微观结构和组成的表征及电催化性能测试研究碳基材料对2eORR制备HO选择性的影响。具体研究内容如下:1.通过对KB进行氧化和还原处理,分别得到氧化KB(KB-Ox)和还原KB(KB-Re)。研究KB-Ox和KB-Re的组成及结构信息,表明KB-Ox具有高的O含量(2.1%),且表面酸性明显高于KB和KB-Re。通过旋转环盘电极(RRDE)研究它们的电催化性能,结果表明KB-Ox的2eORR选择性可达到87.5%,KB-Re仅有47%的2eORR选择性。KB-Ox表现出良好的催化稳定性,8小时内能够稳定生成HO,且法拉第效率保持在80%以上。氧化还原处理对于碳材料2eORR性能的提高同样适用于其他碳材料(Super-P和石墨碳)。2.通过高温固相反应,将KB和氮化硼(BN)转化为硼氮共掺杂的碳材料(BCN-1100)。BCN-1100表现出优异的2eORR选择性(89%)和良好的催化稳定性,经过15000圈循环伏安测试后,电流密度仅下降0.12 m A/cm。调节煅烧温度实验表明,B、N元素在碳骨架中的均匀分布和高浓度是提高催化活性的关键。理论计算表明BNC构型具有最适合的*OOH的吸附能,是理想的两电子反应活性中心。3.研究硼氢化钠(NaBH)、尿素(urea)和KB高温固相合成产物,发现控制煅烧温度,可以合成高比例硼氮氧掺杂的碳材料(H-BNO-KB)。通过扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析表明,尿素在550℃时转化生成二维的氮化碳(CN)有利于提高最终产物的B、N、O含量,H-BNO-KB样品的B、N、O的含量分别为11.66%、4.87%和10.72%,明显高于BNO-KB。H-BNO-KB的2eORR选择性可达到85.6%,并且表现出良好的催化稳定性。