以生物質(zhì)為前驅(qū)體合成的雜原子摻雜碳材料在氧還原中的應(yīng)用.pdf

1、氧還原反應(yīng)(ORR)在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，比如能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、生物學(xué)、金屬表面腐蝕等。對(duì)燃料電池而言，陰極ORR更是電化學(xué)決速步驟。因此，為了使燃料電池盡早應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，科研工作者們做了大量的著有成效的工作來提升陰極的ORR性能。一般而言，Pt及其合金是最好的ORR催化劑，然而這類催化劑卻存在著穩(wěn)定性差、抗甲醇干擾能力差以及易一氧化碳中毒等缺點(diǎn)。此外Pt及其合金昂貴的價(jià)格進(jìn)一步制約了燃料電池的大規(guī)模生產(chǎn)。因此，尋求高效、穩(wěn)定、價(jià)

2、格低廉的ORR催化劑迫在眉睫。
　　由于納米碳材料特殊的電化學(xué)以及光學(xué)性能，近年來受到了越來越多的關(guān)注。特別是N、P等雜原子摻雜納米碳材料，由于雜原子與C原子之間電負(fù)性不同，引起電荷效應(yīng)，進(jìn)而影響材料的ORR性能。因此，科研工作者們使用化學(xué)試劑比如三聚氰胺、硫脲、雙氰胺等，合成了一系列的雜原子摻雜碳材料。然而，復(fù)雜的合成方法以及有毒化學(xué)試劑的大量使用嚴(yán)重制約了這類催化劑的商業(yè)化生產(chǎn)，因此，用廉價(jià)、環(huán)境友好的材料作為前驅(qū)體并簡(jiǎn)化合成

3、步驟顯得尤為關(guān)鍵?；诖耍覀冇昧畠r(jià)、儲(chǔ)存豐富的生物質(zhì)為前驅(qū)體，制備了一系列的雜原子摻雜碳材料用于ORR催化，并開展了以下工作:
　　(1)研究生物質(zhì)基N摻雜碳材料的制備以及材料的ORR性能。我們將牛繁縷在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下900℃高溫煅燒，制備的材料MA-900具有立體多孔結(jié)構(gòu)，比表面積達(dá)851.41m2 g-1，在催化ORR時(shí)，雖然超電勢(shì)比商業(yè)Pt/C負(fù)10 mV，但其電流密度（1.30 mAcm-2）幾乎是商業(yè)Pt/C(0.69

4、mA cm-2)的兩倍。此外，MA-900的抗甲醇干擾以及循環(huán)穩(wěn)定性要遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè)Pt/C。MA-900的良好ORR催化性能是材料本身超親水、豐富的活性位點(diǎn)、良好的導(dǎo)電性、立體多孔結(jié)構(gòu)等多種因素平衡作用的結(jié)果。
　　(2)探究以決明子葉為前驅(qū)體，合成N、P、S三摻雜多孔納米碳材料的制備以及材料的ORR性能。選擇決明子葉作為前驅(qū)體，在惰性氣體的保護(hù)下，800℃高溫碳化處理，合成N、P、S三摻雜碳材料CL-800。該碳材料不僅具備多級(jí)孔

5、結(jié)構(gòu)，而且比表面積達(dá)412.7 m2 g-1。催化ORR時(shí)，CL-800的起始電位雖比商業(yè)Pt/C負(fù)33 mV，但其電流密度是Pt/C的兩倍多，而且穩(wěn)定性和抗甲醇干擾能力都優(yōu)于商業(yè)Pt/C。
　　(3)研究以姜作為前驅(qū)體，合成N、S雙摻雜碳材料的制備及其ORR性能。盡管材料催化ORR時(shí)起始電位比商業(yè)Pt/C稍微負(fù)一些，但其它參數(shù)（如電流密度、抗甲醇干擾、一氧化碳中毒和穩(wěn)定性等）都遠(yuǎn)超商業(yè)Pt/C，實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次證明了用生物質(zhì)為前驅(qū)體