Fe/Ni掺杂氮碳基复合纳米材料的制备及其电催化性能研究

作     者：党林林 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王奇观

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 081705[工学-工业催化] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0702[理学-物理学] 

主      题：Fe、Ni共掺杂 Fe掺杂 氮碳基材料 电催化水解反应 氧气还原反应 锌空气电池 

摘      要：全球日益严重的化石能源危机和环境污染问题,加剧了人类对清洁可持续能源的需求,燃料电池、电解水装置和金属空气电池等新型绿色能源转化和存储装置迅速发展。铂(Pt)、铱(Ir)和钌(Ru)等贵金属及贵金属氧化物催化的电化学氧气还原(ORR)、析氧反应(OER)和析氢反应(HER)是目前商用燃料电池、电解水和金属空气电池的工作基础。贵金属催化材料成本高昂、稳定性差、易中毒,成为抑制绿色清洁能源体系发展的瓶颈。价格低廉、来源广泛、具有特殊电子结构的过渡金属材料,是贵金属催化剂最有希望的替代者。但对实际应用而言,过渡金属材料的催化活性和催化稳定性仍有待提高。纳米碳材料具有比表面积大、结构稳定、导电性好等特点,纳米碳材料与过渡金属催化剂复合,是提升过渡金属材料催化活性和催化稳定性的有效方法。值得注意,过渡金属催化剂与纳米碳材料的结合方式是决定其催化活性和稳定性重要因素之一。有机化合物结构明确,含有丰富官能团,本论文选择合适的有机官能团/化合物,通过非共价键络合金属离子,形成纳米碳材料前驱体;或利用有机官能团对过渡金属团簇/纳米碳复合材料进行二次络合,以控制过渡金属与纳米碳材料的结合方式,提高材料的催化活性和催化稳定性,并建立性能优异的金属空气电池。研究内容主要包含以下三个方面:1、采用有机/无机双模板结合二次高温热解工艺,制备了FeN均匀分散并被多孔氮掺杂纳米碳包覆的Fe-C-N材料。多孔结构、碳包覆、均匀分散和氮掺杂协同作用,提高材料的催化活性、催化稳定性和抗毒性。热解温度为800℃的Fe-C-N-800在0.1 M KOH、0.5 M HSO以及0.5 M HPO溶液中均表现出优异的ORR活性和抗甲醇、抗SCN毒化性能。此外,其OER催化性能接近商用氧化依(Ir O)。优异的多功能催化性能、抗毒性以及广泛的p H值适用性,为过渡金属催化剂的实际应用奠定基础。2、发展熔融法自组装法,将富含氨基和羟基的有机配体与金属离子组装成共晶混合物。共晶混合物高温热解后得到多孔的铁镍共掺杂氮碳基纳米碳催化剂(Fe-Ni-N-C)。熔融法自组装法不适用溶剂,既有利于增加有机配体与金属离子的络合强度,也有利于增加有机配体分子之间的相互作用。得益于熔融自组装,前驱体热解后获得了空心裂球堆积的泡沫结构,且Fe、Ni纳米颗粒的尺寸低至亚纳米尺度,这样的结构赋予Fe-Ni-N-C优异的催化性能。研究结果表明,热解温度900℃的Fe-Ni-N-C-900的OER催化性能超过了商用Ir O;热解温度800℃的Fe-Ni-N-C-800催化ORR的半波电位接近于商用Pt/C,且具有高抗毒性和稳定性。Fe-Ni-N-C-800组装的锌空气电池的功率密度和容量高达647.78m W·cm和1161.5 m Ah·g,远超于商用Pt/C+Ir O基锌空气电池(545.94 m W·cm和610.3m Ah·g)。3、碳前驱体与过渡金属盐络合物的高温热解,是目前制备过渡金属/纳米碳复合材料的主流方法。高温热解过程中,过渡金属纳米颗粒的聚集,是复合材料催化性能差的主要因素。针对这个问题,本论文独辟蹊径,采用含有丰富缺陷的氮化碳(CN)与铁纳米粒子/纳米碳材复合材料进行二次湿法络合,有效提高了碳基体中的Fe团簇分散性,形成单原子铁催化剂Fe(SAs)@C@CN-10,其OER催化性能超过了商用Ir O,这为单原子催化剂的合成开拓了便捷的新途径。