论文部分内容阅读
随着石油储量日益下降、能源需求与日俱增,各国正在努力研发可以替代石油的、清洁的、可再生的新能源。氢燃料电池高效、无污染、不排放温室气体,而且通过电解水制氢,可以将风能、核能、太阳能等不易存储、运输的可再生能源转化为氢能,这一系列优点使得氢能成为人们的研究热点。氢燃料电池离不开氧还原（ORR）电催化剂的使用,电催化析氢（HER）有望成为大规模生产氢气的有效方法,具有出色的氧还原、电催化析氢性能的Pt因为价格昂贵等原因无法大规模商业化应用,因此,寻找廉价的、高效的电催化剂来替代Pt成为研究热点。氢燃料电池未来有可能驱动汽车、为飞机电源系统提供电力,将推动航空工业的技术革新与发展。二维多孔碳材料因其独特的形貌、电学性质等,获得了广泛的关注,本课题旨在研究应用于ORR和HER电催化剂的二维多孔碳基复合材料的形貌、结构设计与制备方法。课题的主要研究内容如下:1.以氨基功能化修饰的氧化石墨烯（AGO）为模板,以三聚氰胺、对苯二甲醛为单体,在DMSO中通过加热成功制备了富含N元素的希夫碱二维多孔聚合物（TPP）,该方法不需要任何催化剂,方法简单、高效。通过热解,可以制备N掺杂的二维多孔碳材料。并调节不同热解温度,发现随着热解温度升高,材料的石墨化程度提高、缺陷减少,材料在碱性电解质中的氧还原极化曲线的起始电位右移。热解温度升高后,杂原子N元素的含量也逐渐下降,比表面积先上升后下降,通过测试发现,800℃条件下热解得到的二维氮掺杂多孔碳材料（TPC-800）的氧还原电催化性能最好。2.不采用任何模板,利用均苯四甲酸酐在五硫化二磷作用下聚合成功制备了具有二维形貌的聚硫代均苯四甲酸酐纳米片。该二维聚合物不同于以往采用石墨烯、LDH（层状氢氧化物）为模板制备的形貌可控的二维聚合物,该材料通过聚合单体在二维方向上聚合并通过片层堆积形成二维纳米片结构。该二维聚合物富含S元素,通过一步热解法可以得到S掺杂的二维微孔碳材料。我们将该二维聚合物进行高温裂解并采用NH3进行活化,成功制备了N/S共掺杂的二维微孔碳材料,表现出了优异的氧还原电催化性能,相比于Pt/C,其拥有更好的耐甲醇交叉效应性能。3.采用二维多孔聚合物TPP为模板,通过溶液浸泡法在聚合物的孔道结构中负载含Mo和P的无机盐,然后在氢氩混合气环境中高温热解、还原得到内嵌有MoP纳米颗粒的二维氮掺杂多孔碳材料。我们首次成功制备了含有过渡金属磷化物纳米颗粒的二维氮掺杂多孔碳材料并应用于电催化析氢领域。由于二维多孔碳的良好导电性,纳米颗粒暴露出更多的活性位点,该材料表现出了良好的电催化析氢性能,而且该催化剂具有良好的长时间稳定性、原料丰富廉价、制备过程简单等优点。