基于蝦殼衍生碳納米點(diǎn)制備高性能碳基電催化劑研究.pdf

1、近年來，隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，人們對可持續(xù)綠色能源技術(shù)的開發(fā)越來越重視。燃料電池和電解水制氫技術(shù)能夠滿足人們對能源和環(huán)境的需求，然而高效、廉價(jià)、資源豐富的電化學(xué)催化劑卻成了制約其發(fā)展的主要因素。目前，最有效的可滿足燃料電池和電解水制氫需要的電化學(xué)催化劑是鉑(Pt)基貴金屬催化劑，然而，其價(jià)格昂貴、資源稀缺的特點(diǎn)限制了Pt基電催化劑的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。因此，發(fā)展資源豐富、價(jià)格低廉且高效的非貴金屬催化劑一直是研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。本論文采

2、用價(jià)格低廉、資源豐富的天然生物質(zhì)（如蝦殼）衍生碳納米點(diǎn)作為碳、氮源來設(shè)計(jì)和制備高效碳基非貴金屬電催化劑，由蝦殼衍生的碳納米點(diǎn)具有如下特點(diǎn):一是納米點(diǎn)尺寸較小，在10nm以下，有利于材料的進(jìn)一步組裝;二是其表面含有豐富的氧、氮官能團(tuán)（如-COOH、-OH、-NH2等），有利于材料的功能化修飾;三是其含有微量的雜元素（如氮），有利于制備氮摻雜碳材料，提高其電催化氧還原活性。本論文工作利用蝦殼衍生的氮摻雜碳納米點(diǎn)以上特性，通過模板法或摻雜非貴

3、金屬（如鈷、鉬等）經(jīng)高溫退火制備了幾種碳基電化學(xué)催化劑材料，并對其結(jié)構(gòu)、組成和電催化性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，揭示其內(nèi)在關(guān)聯(lián)性;進(jìn)一步，根據(jù)電催化氧還原反應(yīng)(oxygen reduction reaction，ORR)極化曲線，發(fā)展了一種簡單表征催化劑ORR活性的方法，用于有效對比不同電催化劑ORR活性。
　　本論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾部分:
　　1、利用蝦殼水熱法衍生的氮摻雜碳納米點(diǎn)作為碳、氮源，在二氧化硅(SiO2)球的輔

4、助下，通過高溫?zé)峤獾姆椒ㄖ苽淞巳S多孔氮摻雜碳材料。材料表征結(jié)果表明，800℃條件下制備的催化劑(NPC-800)具有高的比表面積(360.2 m2/g)，而且其孔結(jié)構(gòu)為三級孔（微、介和大孔）結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測試結(jié)果顯示，NPC-800催化劑在氧氣飽和的0.1M KOH溶液中的ORR起始電位、半波電位和極限電流密度分別為-0.06 V、-0.21 V(vs.Ag/AgCl)和5.3 mA/cm2（在-0.4 V vs.Ag/AgCl，160

5、0 rpm），其ORR活性與商品化Pt/C催化劑性能接近。此外，所制備三維多孔碳材料具有比商品化Pt/C催化劑更高的抗甲醇干擾能力和長時(shí)間操作的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催化劑中吡啶氮和石墨氮形式在ORR反應(yīng)中起到活性位點(diǎn)和提高催化劑導(dǎo)電性作用;此外，材料較大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)有利于催化劑活性位點(diǎn)的暴露和傳質(zhì)，從而提高其ORR催化活性。
　　2、以蝦殼水熱衍生氮摻雜碳納米點(diǎn)作為前驅(qū)體，將其與CoSO4在熔鹽條件下混合、高溫?zé)峤庵苽銫

6、o9S8/氮摻雜多孔碳材料(Co9S8/NC)，然后通過NaH2PO2磷化處理得到Co9S8/氮、磷共摻雜多孔碳材料(Co9S8/NPC)。電化學(xué)測試表明，Co9S8/NC在堿性電解質(zhì)中具有一定的析氫(HER)和析氧(OER)催化活性，P元素的引入對進(jìn)一步提高Co9S8/NC催化劑的HER催化活性有很大幫助，但對調(diào)節(jié)其OER催化活性幾乎沒有作用。具體地，當(dāng)NaH2PO2與Co9S8@NC的質(zhì)量比為10∶1時(shí)，得到的Co9S8@NPC-1

7、0表現(xiàn)出最優(yōu)的HER催化活性，其在堿性條件下電流密度為10 mA/cm2時(shí)的過電位為261 mV。所制備的具有HER/OER雙功能催化活性的Co9S8/NPC-10催化劑被同時(shí)用做陰、陽極材料，在全分解水研究中展示了接近100％的產(chǎn)氫和產(chǎn)氧法拉第效率。
　　3、利用蝦殼水熱衍生的氮摻雜碳納米點(diǎn)作為前驅(qū)體，將其與鉬酸銨及硫酸鈉，在熔鹽輔助的條件下混合、高溫?zé)峤庵苽淞撕f碳基催化劑材料。通過調(diào)節(jié)原料中的S和Mo的摩爾比，得到一系列含有

8、MoC和MoS2活性組份的碳基催化劑。電化學(xué)測試表明，在0.5 M H2SO4電解質(zhì)中，含有MoC和MoS2兩種活性組份的碳基催化劑比只含有MoC或MoS2的碳基催化劑具有更高的HER催化活性。當(dāng)原料中S和Mo的摩爾比值為1.0時(shí)所得到的催化劑，展示了最優(yōu)的HER催化活性，其析氫起始過電位為109 mV，具有長時(shí)間循環(huán)穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，多組份復(fù)合材料作為電化學(xué)催化劑，各組份之間的協(xié)同作用可有效提高催化劑的催化活性。
　　4、發(fā)

9、展了一種新的表征催化劑ORR活性的方法。將ORR反應(yīng)過程中電子傳輸控制步驟等效成一個(gè)純電阻體系，根據(jù)ORR極化曲線和歐姆定律計(jì)算這一過程的總電阻(R)，并研究其與不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的極限電流(Is)之間的關(guān)系。以商業(yè)化Pt/C和實(shí)驗(yàn)室制備的鈷基催化劑為例，研究結(jié)果表明，R與Is之間呈雙曲線（一支）關(guān)系，滿足方程式:R=R0+k/Is。其中，R0是一個(gè)與催化劑負(fù)載量相關(guān)的物理量，其隨催化劑負(fù)載量的增加先減小后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);表明了當(dāng)催化劑負(fù)載量