金属负载的碳纳米复合材料电催化应用研究

作     者：郑曼 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王欢

授予年度：2024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：碳纳米材料 过渡金属 环境污染物检测 析氧反应 析氢反应 氧还原反应 

摘      要：随着社会进入高速发展阶段我们对能源的需求越来越高。目前面临的能源短缺和环境污染问题迫使我们加速对新能源的探索。电催化被认为是生产清洁能源技术的基础方法。在电催化领域中,由于碳基纳米复合材料导电性能好、化学性能优异、资源丰富、生产成本低而被认为是理想电催化剂。并且大量研究表明碳基纳米材料上负载金属及其氧化物合金具有较优异的催化活性,这为推动清洁能源的生产和储存提供了新路径。本论文主要包括以下几个方面: 一、本工作利用废弃生物质葡萄皮作为碳源和氮源,与双过渡金属进行组装,经过高温煅烧后成功制备出了生物质衍生碳负载的双过渡金属氧化物催化剂FMC-N@Ni Fe2O4-700。生物质衍生碳具有丰富的通道和孔隙结构,且不易降解。并且Ni Fe2O4具有丰富的价态、良好的生物相容性、导电性和高的稳定性。所以在经过煅烧温度优化后该催化剂对硝基苯（NB）具有超高的催化活性、较低的检出限、较宽的检出范围以及好的重现性。 二、本工作制备了具有高导电性、高电催化活性的手性碳纳米管负载铁钴合金以及微量Pt的（CH-CNT@Fe-Co-Pt2）复合材料。该材料以C18-L-Clu为软模板,聚吡咯为碳源和氮源,通过静电吸引力引入钴铁离子。经过900度高温碳化去除C18-L-Clu并还原钴铁离子形成螺旋中空结构碳纳米管结构。利用置换反应成功地在复合材料中引入微量贵金属Pt,得到了CH-CNT@Fe-Co-Ptx复合材料。通过优化Pt的含量,得到了具有较高催化活性的CH-CNT@Fe-Co-Pt2复合材料。该催化剂不仅具有较高的析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）催化活性,还具有较好的稳定性以及耐甲醇性。 三、本工作设计制备了一种新型类石墨烯堆叠的碳纳米管负载铁镍合金的纳米复合材料。丁二酮肟和Ni2+反应生成了具有立方结构的丁二酮肟镍桃红色螯合物,在水热条件下,铁酞菁吸附在丁二酮肟镍立方体表面,然后用双氧水作为还原剂和分解剂。过氧化氢它不仅能使Fe Pc中的Fe2+还原为Fe,还能分解剥离丁二酮肟镍立方体,使其最终具有新型的类石墨烯结构。通过煅烧,首次合成了一种类石墨烯纳米片堆叠的碳纳米管结构并负载Fe-Ni合金（GF-CNT@Fe Ni3）。本工作所制备的复合材料具有较高的OER和ORR催化活性和优异的稳定性,并且甲醇耐受性较强。 四、本工作设计了一种新型金针菇状碳纳米管顶部负载合金并掺杂P的三功能催化剂,该催化剂以C18-L-Clu为软模板,聚吡咯为碳源和氮源,利用PDDA与Fe2+Ni2+之间的正排斥效应在碳纳米管顶部定向生长Fe Ni合金,并进行P掺杂（EM-Fe Ni P@HCNT）。EM-Fe Ni P@HCNT由于其独特的形貌、多孔结构、P掺杂以及Fe Ni和P之间的协同效应,具有优异的析氢反应（HER）、析氧反应和氧还原反应催化活性、较好的性能和结构稳定性、较强的耐甲醇性。