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《复旦大学》 2014年
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基于功能纳米材料的电化学催化研究

廖蕾  
【摘要】:近年来,能源问题一直是大家所关注的热点问题,预期到2050年能源的需求量将是现在的两倍。纳米技术的出现为解决这一问题提供了一种新的思路和策略,尤其是新型的碳基纳米材料和过渡金属纳米材料以及它们的复合物设计和制备,有望在能源研究领域发挥重要的作用。由于纳米材料具有特殊的结构及物理化学性质,使它们在很多领域都具有广泛的应用,如生物传感器、光电催化、能量存储与转化、生物医药、环境保护等,并且越来越体现出其独特的优势。碳纳米材料和过渡金属纳米材料及它们的复合物纳米材料由于其高的比表面积、良好的导电性能以及化学稳定性,被广泛应用于能源存储与转化领域并且取得了一些进展。本论文结合纳米材料科学、分析化学技术和电化学等方法,构建了基于功能碳纳米材料和过渡金属纳米材料复合物,并将其应用于电化学催化研究中,主要分为以下几个章节展开研究:在第一章中,我们概述了纳米材料的发展和研究现状,以及应用领域,并综述了相关纳米材料在能源领域和电化学催化中的应用。在此基础上提出了本论文的研究设想,基于碳纳米材料和过渡金属纳米催化剂以及它们的复合物,开展在电化学催化领域的研究。第二章,基于MoS2/介孔石墨烯纳米复合物的电化学析氢催化研究:我们使用水热法将四硫钼酸铵原位还原成MoS2纳米粒子,并负载在三维介孔石墨烯泡沫(MGFs)材料上,形成复合型的纳米催化剂(MoS2/MGFs),将此纳米复合物材料修饰在玻碳电极上,研究其在析氢反应过程中的催化性能。进一步运用扫描电镜,透射电镜,X射线光电子能谱以及电化学阻抗等技术对此复合材料进行了表征。实验结果证明MoS2纳米粒子能高度分散地生长在介孔石墨烯表面,有效地克服了粒子之间的聚集,这也正是此复合催化剂材料能够高效电催化析氢的原因。由于其高比表面积、高分散性和高导电性,在电催化析氢反应中,MoS2/MGFs纳米复合物显示出高度的催化活性:析氢过电位较低(约为100 mV vs. RHE)且电流密度大。MoS2/MGFs修饰电极的Tafel斜率为42 mV/decade,可以推测反应过程是通过Volmer-Heyrovsky机制进行的。第三章,基于Mo2C纳米材料的电化学析氢催化研究:通过热裂解MoOx/amine有机无机杂化体,得到具有纳米孔容结构的一维Mo2C纳米线,该制备方法简单安全,避免在高温条件下使用H2作为还原气氛。该纳米线由Mo2C纳米晶体密堆积而成,从而具有丰富的孔容和较大的比表面积。通过调控不同形貌结构的Mo2C,研究和比较了它们在析氢电化学催化反应中的性能,结果表明纳米催化剂的孔容、比表面积和纳米粒子的大小是影响析氢电化学催化的关键因素。丰富的孔容、大的比表面积、较小的纳米晶体颗粒能够使M02C暴露更多的催化活性位点,从而表现出更好的析氢催化活性,具体表现在较低的析氢过电位低,仅为70mV (vs. RHE)以及较大的催化电流。如此高性能和廉价易得的非贵金属纳米材料有望在能源转化和储存领域得到更加广泛的应用。进一步,将Mo2C纳米线与、Vulcan carbon混合,得到的复合材料表现出更高的催化活性,预期若将其原位负载在功能碳纳米材料上,催化性能会得到进一步提高。基于本工作,进一步发展了非贵金属催化剂在水裂解析氢中的应用。第四章,基于M02C负载石墨烯纳米复合材料的电化学析氢催化研究:在前一章工作的基础上,通过浸渍的方法将(?) Mo3O10(C6H8N2)2·H2O有机无机前体和氧化石墨烯(graphene oxide, GO)混合,然后在惰性气体保护下高温热裂解制备得到高度分散在石墨烯上的Mo2C纳米颗粒复合材料(nano Mo2C/rGO),并将此复合材料应用于析氢电化学催化反应,取得了更高的催化效率。过电位进一步降低,电流密度较大,在过电位为200 mV时的电流密度达到100 mA/cm2。研究了不同负载量对催化性能的影响。通过电化学阻抗技术证明nano Mo2C/rGO复合材料修饰电极比纯的M02C的电荷转移电阻明显减小,且其界面电容较大,进一步证明了此纳米复合材料析氢催化性能高的原因,一是载体本身好的导电性能和高的比表面积,且M02C与载体紧密贴合加速了电子转移速率;二是M02C颗粒高度均匀地分散在载体上,使是其活性位点更加充分的暴露,增加了M02C催化剂本身的活性比表面积。本工作进一步拓展了碳化钼作为析氢催化剂的应用以及功能化碳材料在作为催化剂载体方面的重要性。第五章,基于Nb2O5-N-Graphene纳米插层结构复合物的电化学催化氧还原研究:通过新颖的插层碳化方法设计制备了一种Nb2O5-N-Graphene纳米插层结构复合物,并将其应用于电化学氧还原催化反应。N-Graphene和半导体Nb2O5之间的协同耦合作用赋予了这种有机无机杂化材料很多优异的催化性质。在Nb2O5-N-Graphene电化学催化氧还原反应中表现出较正的过电位(约为0.92V vs.RHE,接近于Pt/C的催化效果),良好的稳定性,以及抗甲醇干扰的能力。这些结果为发展插层结构的纳米材料催化剂应用于能源催化领域提供了一种新的思路。第六章,基于纳米孔M02C纳米材料的电化学催化氧还原研究:将M02C纳米线成功的用于电化学催化氧还原反应,取得了满意的效果。M02C纳米线是通过一种简单、高效、安全的热裂解有机无机杂化前体制备的。其独特的形貌结构,较高的比表面积,丰富的孔结构为电化学氧还原反应提供了良好的微环境,促使电子和离子的有效传递,O2分子的有效扩散,从而提高了催化反应效率。不仅如此,相对于使用传统的铂类贵金属催化剂来说,Mo2C纳米线用作电化学氧还原反应催化剂具有优秀的抗干扰性质以及良好的稳定性,有望应用于直接甲醇燃料电池中。进一步地,通过将Vulcan carbon与Mo2C物理混合后修饰电极,进一步提高了Mo2C的电化学氧还原反应催化性能,又一次证实了Mo2C与碳材料之间的协同作用,开辟了一种新的提高催化剂活性的策略。在第七章中,对本论文进行了总结,指出了研究中存在的问题和不足,并提出在后期研究中的目标和工作思路。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TB383.1;TQ127.11

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【参考文献】
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