富氮氨基酸衍生碳材料的制備及其在電催化氧還原中的應(yīng)用.pdf

1、燃料電池是一種轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好的能源技術(shù)。其中陰極的氧還原反應(yīng)因為決定了燃料電池能量存儲和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體表現(xiàn)而顯得至關(guān)重要。但由于其使用的商業(yè)鉑碳催化劑面臨著高成本、低穩(wěn)定性及地球存儲量有限等問題,極大地阻礙了整個燃料電池商業(yè)化的進程。因此如何研究開發(fā)原料廣泛、廉價，制備簡單且具有高氧還原活性的新型氮摻雜碳材料作為陰極氧還原催化劑已成為研究的熱點。本文聚焦于選取富氮氨基酸作為氮源去制備新型碳基材料并應(yīng)用于電催化氧還原。主要工作包括賴

2、氨酸衍生的CNx和Fe3O4納米顆粒形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和S摻雜碳矩陣與組氨酸碳化復(fù)合碳材料在電催化氧還原中的應(yīng)用，以及組氨酸衍生的棒狀碳材料在酸性介質(zhì)電催化氧還原中的應(yīng)用三部分。針對所制備的含氮碳材料催化劑，一系列的物理測試對其組成與結(jié)構(gòu)進行了表征，電化學(xué)測試對制備的電催化劑氧還原性能進行了表征。
　　本研究分為三個部分：第一部分：賴氨酸衍生的CNx和Fe3O4納米顆粒形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合碳材料在電催化氧還原中的應(yīng)用。為了尋求具

3、有異質(zhì)結(jié)構(gòu)高效氧還原（ORR）活性的電催化劑，對我們之前的工作中報道過的Fe3O4-CNx復(fù)合材料進行了ORR電催化活性測試，結(jié)果表明Fe3O4-CNx有較差的催化活性。為了提高其催化劑的活性，通過熱解的方法將賴氨酸衍生的CNx層修飾在Fe3O4-CNx復(fù)合材料上。物理表征表明，得到復(fù)合材料（Fe3O4-CNx-Lys)的珊瑚狀形態(tài)依然保留，而其石墨結(jié)晶程度增加。此外，F(xiàn)e3O4-CNx-Lys具有364.7 m2 g-1的表面積和分級

4、的多孔結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測試表明，該催化劑的ORR活性不僅比Fe3O4-CNx，XC-72 C-Lys和XC-72 C好，而且?guī)缀蹩梢耘c商業(yè)的Pt/C(20 wt％)媲美，更是具有比Pt/C更好的抗甲醇中毒能力。第二部分：S摻雜碳矩陣與組氨酸碳化復(fù)合碳材料在電催化氧還原中的應(yīng)用。用濃硫酸碳化蔗糖的方法制備了一種S摻雜的絮狀碳矩陣，通過碳化的方法將富氮氨基酸—組氨酸修飾在這種碳矩陣上，形成了高活性異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合碳材料。經(jīng)過XRD，TEM和XPS等

5、一系列物理測試發(fā)現(xiàn)，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)碳材料具有很好的石墨化程度，且表面吡啶氮含量高。通過對催化劑進行電化學(xué)測試，結(jié)果表明其不僅具有非常好的氧還原活性，還表現(xiàn)出不錯的抗甲醇中毒能力。第三部分：組氨酸衍生的棒狀碳材料在電催化氧還原中的應(yīng)用。高比表面積棒狀的氮摻雜碳材料（SHC-SBA-15）使用SBA-15作為模板制備而成。通過Brunauer-Emmett-Teller(BET)獲得該碳材料的表面積約為915.3 m2 g-1，孔徑分布集中在