鎢、硼、氮摻雜改性納米碳纖維及其氧還原活性的研究.pdf

1、陰極上氧還原反應(yīng)對于燃料電池的性能具有非常重要的作用。最常用的氧還原催化劑是鉑催化劑，但鉑的價格昂貴且容易失活，從而極大地限制了鉑催化劑的商業(yè)化應(yīng)用。本論文旨在開發(fā)一種成本低廉、活性高、穩(wěn)定性好的新型氧還原催化劑。
　　已有報道表明，碳材料具有一定的氧還原性能，對碳材料進行摻雜能夠顯著提高其催化活性。本論文基于靜電紡絲技術(shù)制備碳納米纖維，采用鎢、硼、氮等進行摻雜得到改性后的碳納米纖維，運用SEM/EDX、XRD、Raman、FTI

2、R、XPS等表征手段對樣品的形貌、成分和微觀結(jié)構(gòu)等進行了較為系統(tǒng)地測試分析，并使用循環(huán)伏安法和旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極等電化學方法對樣品的氧還原活性進行了測試。
　　首先考察了鎢摻雜對碳納米纖維的影響。引入鎢是為了在碳納米纖維中形成碳化鎢，因碳化鎢具有類似于鉑的電子結(jié)構(gòu)，有可能提高碳納米纖維的催化性能。在電紡聚丙烯腈纖維表面浸漬包覆偏鎢酸銨，經(jīng)過高溫碳化處理后制得碳化鎢/碳復(fù)合納米纖維，顯示出一定的氧還原催化性能，但活性不太理想。
　　

3、其次，本論文著重考察了氮摻雜對碳納米碳纖維的影響。研究發(fā)現(xiàn)，熱處理所用氣氛對碳纖維具有顯著影響，表現(xiàn)在 NH3處理得到的碳纖維，其直徑發(fā)生顯著縮減，可以縮減90％以上。本論文所得的氮摻雜的碳納米纖維的平均直徑可達20nm以下。這是公開文獻中采用靜電紡絲法所制備的平均直徑最細的碳纖維材料。而在相同的熱處理溫度下，使用N2所得碳納米纖維的直徑在150nm左右。NH3氣氛處理得到的氮摻雜的納米纖維顯示出優(yōu)異的氧還原活性，當處理溫度從600℃增

4、加至1000℃時，催化劑在氧還原反應(yīng)中的峰電流強度增加約30倍。N2處理得到的氮摻雜碳納米纖維的活性遠低于NH3。XPS的結(jié)果表明，NH3處理時，氮的摻雜更易以吡啶氮的形式存在，而N2處理則形成吡咯氮。吡啶氮有可能是氧還原反應(yīng)的活性中心，因此 NH3處理得到的氮摻雜碳納米纖維的活性較好。本研究中得到的活性最高的樣品，在氧氣飽和的0.1M KOH溶液中，以10mv/s的掃描速度得到的循環(huán)伏安法曲線，其峰電位在-0.17V，起始電位-0.0