基于氮摻雜碳材料的電化學(xué)性能研究.pdf

1、根據(jù)近幾年社會(huì)的全速發(fā)展，我國(guó)的化石能源已經(jīng)嚴(yán)重短缺，超級(jí)電容器和燃料電池由于其價(jià)格低廉、高比能量、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、應(yīng)用范圍廣泛的優(yōu)點(diǎn)得到了研究工作者的熱切重視。而電催化劑在超級(jí)電容器陽(yáng)極反應(yīng)和燃料電池的陰極反應(yīng)-氧還原反應(yīng)（ORR）中占據(jù)了決定性地位。到目前為止，最有效的催化劑是Pt及其合金，但是它們的高成本、交叉效應(yīng)和耐用性差的缺點(diǎn)嚴(yán)重限制其廣泛的商業(yè)化。因此，尋找與Pt有著可比較或更優(yōu)越的催化性能和商業(yè)可用性的非貴金屬甚至

2、不含金屬的催化劑吸引了工業(yè)和學(xué)術(shù)研究者的巨大關(guān)注。近些年來(lái)，高導(dǎo)電性、低成本、循環(huán)壽命長(zhǎng)的碳材料作為替代Pt及其合金的電催化劑已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)。例如，石墨烯、碳納米管已在超級(jí)電容器、燃料電池和化學(xué)/生物傳感等方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。本論文的主要研究工作如下:
　　(1)以石墨烯、氧化處理的碳納米管和氨水為原料，在180℃下采用一鍋水熱法制備了氮摻雜石墨烯-碳納米管復(fù)合材料。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XR

3、D)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜(Raman)表征了所制備的催化劑N-GOx@CNTsy的形貌和組成，通過(guò)循環(huán)伏安(CV)、重力充放電(GCD)測(cè)試研究了催化劑N-GOx@CNTsy在堿性電解質(zhì)中超電容性能。結(jié)果表明:水熱法不僅沒(méi)有破壞碳納米管、石墨烯的結(jié)構(gòu)，而且還成功制得分散均勻的氮摻雜石墨烯-碳納米管復(fù)合材料。催化劑N-GO1@CNTs2展示出最好的超電容性能，比未處理的碳納米管、石墨烯高出幾十倍。
　　(2)以

4、碳納米管、多巴胺、三羥甲基氨基甲烷(tris)為原料，采用高溫?zé)崽幚矸ㄖ苽淞说獡诫s碳納米管(N-CNTs)。通過(guò)SEM、TEM和XPS考察了所制備的催化劑N-CNTs的表面形貌和組成，使用CV、旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極(RDE)和旋轉(zhuǎn)環(huán)盤(pán)電極（RRDE）測(cè)定了催化劑N-CNTs在堿性電解質(zhì)中氧氣還原性能及其抗甲醇氧化性能。結(jié)果表明:熱處理法制備的樣品分散均勻，并且經(jīng)過(guò)高溫煅燒碳納米管的結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞;并且成功地在碳納米管表面包覆了一層薄薄地薄膜，很

5、好地解決了碳納米管分散性差的難題;驗(yàn)證了900℃和多巴胺濃度2mg/mL為最佳熱處理溫度和最佳包覆濃度;2mg/mLN-CNTs-900展現(xiàn)了一個(gè)接近4e轉(zhuǎn)移過(guò)程、良好的穩(wěn)定性和抗甲醇氧化性，說(shuō)明2mg/mL N-CNTs-900良好的氧氣還原性能。
　　(3)以碳納米管、多巴胺、無(wú)水三氯化鐵(FeCl3)、三羥甲基氨基甲烷(tris)為原料，采用高溫?zé)崽幚矸ㄖ苽淞说獡诫s碳量子點(diǎn)(N-CQDs)。通過(guò)TEM、SEM和XPS測(cè)試考察

6、了所制備的催化劑N-CQDs的表面形貌和組成，使用TGA測(cè)試分析了無(wú)水氯化鐵和碳納米管的反應(yīng)機(jī)理，使用CV、旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極（RDE）和旋轉(zhuǎn)環(huán)盤(pán)電極(RRDE)測(cè)定了催化劑N-CQDs在堿性電解質(zhì)中氧氣還原性能及其抗甲醇氧化性能。結(jié)果表明:通過(guò)熱處理法成功制備了氮摻雜碳量子點(diǎn);當(dāng)無(wú)水氯化鐵與碳納米管的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，N-CQDs展示出最佳的氧氣還原性能;而且N-CQDs展現(xiàn)了一個(gè)接近4e轉(zhuǎn)移過(guò)程、良好的穩(wěn)定性和抗甲醇氧化性，說(shuō)明N-CQD