模板法制備分級多孔碳基材料及其氧還原催化性能研究.pdf

1、為了擺脫貴金屬Pt/C催化劑對燃料電池商業(yè)化的限制，多孔碳基納米材料被廣泛研究并表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性、穩(wěn)定性以及抗甲醇中毒的能力。目前多孔碳基納米材料面臨的主要問題是：如何開發(fā)新型廉價的前驅(qū)體以及簡單高效的合成方法實(shí)現(xiàn)對材料微觀結(jié)構(gòu)以及表面組成的調(diào)控進(jìn)而改善材料的電催化性能。
　　針對上述問題，本論文選用最新發(fā)現(xiàn)的價格低廉、簡單可控的質(zhì)子鹽為單一前驅(qū)體，通過模板法快速大規(guī)模制備出多元素?fù)诫s的分級多孔碳基納米材料。通過改變模板的種類

2、、添加量以及熱處理溫度等反應(yīng)條件實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)物形貌、孔徑等微觀結(jié)構(gòu)和雜原子摻雜的含量和類型等表面組成的調(diào)控，并系統(tǒng)探究了材料的結(jié)構(gòu)與組成對電催化性能的影響。具體研究內(nèi)容如下：
　?。?）以對苯二胺和硫酸為原料，通過中和反應(yīng)制備出對苯二胺硫酸鹽并作為單一前驅(qū)體，以SiO2為模板快速制得三維有序大孔碳NSAC。其中，以質(zhì)子鹽為前驅(qū)體可以實(shí)現(xiàn)N/S元素的原位摻雜；改變SiO2的尺寸、添加量和熱處理溫度可以改變產(chǎn)物的形貌、比表面積和表面摻雜

3、狀態(tài)，進(jìn)而改善材料的電催化性能。研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)制大尺寸SiO2形成的連通開放結(jié)構(gòu)更有利于催化活性位的暴露，使材料獲得與Pt/C相近的極限電流密度和稍負(fù)的起始電位。
　?。?）以對苯二胺硫酸鹽為前驅(qū)體，F(xiàn)eCl3為模板，一步熱解制得二維介孔碳納米片NSFC。通過改變FeCl3的添加量和溫度調(diào)控NSFC的片層厚度、孔徑分布以及N/S/Fe元素的摻雜狀態(tài)，進(jìn)而探究材料結(jié)構(gòu)和組成與催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：適量的FeCl3可以剝離出

4、超薄的碳納米片，引入大量孔徑均一的介孔，提高比表面積，促進(jìn)反應(yīng)物擴(kuò)散；Fe的引入可以構(gòu)筑新的活性位點(diǎn)Fe-Nx，最終使NSFC獲得比Pt/C更正的起始電位和相當(dāng)?shù)臉O限電流。
　　（3）以SiO2和FeCl3為雙模板，與對苯二胺硫酸鹽混合后一步制得組合型分級多孔碳基材料 NSHC。通過改變模板的種類和添加量，探究了雙模板法在調(diào)控產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)和表面組成方面的獨(dú)特優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)：組合了NSAC和NSFC兩種結(jié)構(gòu)的NSHC不僅開放程度更大