改性的有序介孔碳—钴/镍复合材料的制备及载Pt后电催化性能研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiu_yue9
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通过软模板法获得的有序介孔碳孔壁通常为无定形,其电导率和表面活性较低,因而限制了其在燃料电池中的应用。本文在有序介孔碳中复合磁性金属Co或Ni,尝试通过磁性金属的催化作用提高碳孔壁的石墨化程度,同时采用非金属N和B对有序介孔碳进一步掺杂改性,以提高载体的载Pt能力及催化活性。主要研究成果如下:1、以酚醛树脂为碳源,三嵌段共聚物F127为模板剂,尿素和乙酸钴为添加剂,通过简单一步模板法制备了含Co、N的有序介孔碳。N掺杂后以吡啶氮和quaternary-N氮原子形式存在于碳骨架中,有助于碳骨架向类石墨态转变。Co2+经碳热还原为金属钴纳米微粒,均匀嵌入碳骨架中,钴纳米微粒周围无定形碳由于催化作用而向类石墨态转变。电化学测试表明,经Co和N协同改性的有序介孔碳具有较高效率的Pt担载性能,对甲醇氧化和氧还原表现了更为优异的电化学活性,甲醇氧化峰最高可达77.26mA cm-2,氧还原极限电流最大可为6.25mA cm-2。2、改变N的掺杂含量及煅烧温度后,研究表明N含量在10%以内时,对介孔碳孔道结构的有序性影响较小,掺杂含量过高可能使介孔的孔径变小。随着煅烧温度的提高,Co纳米粒子团聚现象逐渐明显,碳的介孔有序度不断弱化,但由于碳石墨化程度明显增强,负载Pt后电催化性能却获得增强。3、以间苯二酚甲醛树脂为碳源,F127为模板剂,尿素和氯化镍为添加剂,通过软模板法在均相体系下制备氮掺杂有序介孔碳-镍复合材料。Ni纳米粒子平均粒径为50nm,结晶度高,其催化石墨化能力较强,碳骨架整体石墨化程度得到提高。N的掺杂和Ni颗粒的广泛分布使得该复合材料的载Pt能力得到提高,甲醇氧化峰电流高达301.42mA cm-2。以相同原料,在两相体系中合成氮掺杂有序介孔碳-镍复合材料,虽然得到的复合材料中Ni金属粒径小,但Ni在碳骨架中分布较少,未能有效改善碳材料的石墨化程度及化学性质。4、以酚醛树脂为碳源,三嵌段共聚物F127为模板剂,硼酸和氯化镍为添加剂,通过简单一步模板法制备了含Ni、B的有序介孔碳。Ni2+碳热还原为金属镍纳米粒子,均匀嵌入在碳骨架中促进无定形碳向类石墨态碳转变。B掺杂后以B-C或B-O的形式存在于碳骨架中,有助于碳骨架的石墨化,利于Pt纳米粒子的负载和分散。当B含量控制在8%以内时,Ni、B协同改性后的介孔碳依然保持清晰均一的有序孔道。电化学测试表明,经Ni和B协同改性的有序介孔碳复合材料石墨化程度得到明显提高,更有利于Pt担载,对甲醇氧化和氧还原的电催化性能得到明显改善。
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