收藏本站
《山东大学》 2013年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

铁基合金与氧化物纳米粒子修饰有序介孔碳电化学性能研究

项东  
【摘要】:有序介孔碳材料(OMC)自1999年问世以来,以其新颖的结构、大的比表面积、均一可控的孔径、高的孔体积、良好的导电性和稳定性,受到了人们越来越多的关注,已经广泛应用于催化、吸附、电化学、传感器、储能和生物等多个领域。但是,单一的有序介孔碳材料难以满足人们的多种性能需求,因此,探索适宜的合成方法制备多样的有序介孔复合材料,是目前迫切需要解决的问题。本文以金属或金属氧化物纳米粒子负载于有序介孔碳制备了具有各种功能的复合材料,改善了有序介孔碳材料的性能,拓展了其应用领域。在对介孔碳材料进行功能化修饰得到结构可控的复合材料基础上,研究了复合材料应用于直接甲醇燃料电池、电化学储氢、电化学生物传感和超级电容器等方面的性能,从组分设计、材料制备、物理和电化学性能及相关的理论机制等方面进行了深入系统的研究。主要研究内容如下: (1)通过改性的多元醇合成方法(EG法)、以氯铂酸和氯化铁为Pt源和Fe源并以乙二醇为还原剂,制备了均匀分散且尺寸可调的PtFex合金纳米颗粒修饰有序介孔碳的复合材料。利用循环伏安法(CV)、单电池质子交换膜燃料电池系统(PEMFC)以及电化学交流阻抗谱(EIS)等研究了PtFex/OMC复合材料的直接甲醇燃料电池催化活性。随着Fe含量的增加,PtFex纳米颗粒尺寸减小,PtFex/OMC电极的阳极峰电流增加,甲醇氧化活性也随之提高。而大量Pt0的存在改善了复合材料的电催化活性,PtFe3/OMC复合材料的氧还原反应(ORR)的电流密度为0.662A/cm2,功率密度为237.2mW/cm2,分别是Pt/OMC复合材料(0.32A/cm2和102.6mW/cm2)的两倍。PtFe3/OMC催化剂在0.5M H2SO4+1M CH3OH中表现出最高的比催化活性为100.6mA/m2,比在0.5M H2SO4溶液中的283.7mA/m2低近三倍。PtFe3/OMC电极高的活性首先归因于PtFe3纳米颗粒在OMC的介孔孔道内的均匀分布,其直径约为3.3nm,可加速Pt-OH官能团的形成。同时,PtFe3合金纳米颗粒能够提供比纯Pt更低的氧化CO/H2开路电位,有助于C-H键的断开和耐COad能力的提高。并且较大的表面积、适宜的孔结构,有效改善了电化学反应中反应物和生成物在液态介质中的传输能力。 (2)利用湿浸渍与氢还原工艺制备了NiFex修饰介孔碳的复合材料,研究了复合材料的电化学储氢性能。NiFex/OMC复合材料中NiFex纳米颗粒的尺寸和分布可通过控制Ni与Fe的摩尔比调节。NiFe2合金纳米颗粒的尺寸最小,其平均粒径为4.7nm,均匀负载于OMC的表面和孔道内部。通过氮等温吸附、电化学阻抗(EIS)、动电位极化、循环伏安法(CV)、恒电流充电-放电等测试技术对比研究了NiFex/OMC复合材料的表面积、孔体积、孔径和电化学储氢性能的影响。NiFex/OMC氢储存过程可由原子氢溢出机制解释。结果表明NiFe,合金纳米颗粒充当了活性氢吸附点,增加了Had的覆盖程度,有利于增强氢吸附脱附过程中的氧化还原反应。随着Ni与Fe的摩尔比的减小,NiFe,纳米颗粒分布更加均匀。NiFe2/OMC复合材料高的比表面积与介孔体积、低的缺陷率,会使电极具有小的电荷转变阻力、较强的抗腐蚀能力、高的放电容量和好的循环性能。在大约0.8~0.9V,存在相对稳定的对应于氢的氧化反应(即氢脱附)的放电平台。NiFe2/OMC的电化学储氢放电容量可达到418mAh/g,大约是纯介孔碳的4倍。 (3)以湿浸渍与氢还原工艺制备的NiFexOMC纳米复合材料,制备成的基于NiFex/OMC+Nafion+GCE和含酶GOX+NiFex/OMC+Nafion+GCE的电化学生物传感器显示了较好的准可逆反应过程,展现出良好的电化学生物传感性能。在不同pH值的磷酸盐缓冲液中的电化学测试分析表明:NiFe2/OMC+Nafion+GCE对H202有着良好的电化学传感作用(检测范围为6.2-42710μM,灵敏度为4.29μA/mM cm2,检测限为0.24μM),且对H202有高选择性和稳定性。而用葡萄糖氧化酶制作的GOX+NiFe2/OMC+Nafion+GCE对葡萄糖有较好的电化学生物传感作用(检测范围为48.6~7500μM,灵敏度为6.9μA/mM cm2,检测限为2.7μM),且对葡萄糖具有较好的选择性和稳定性。NiFex/OMC+Nafion+GCE传感器主要基于NiFex/OMC检测H202时产生的还原反应,实现电子传感效应。而通过在媒介体NiFex/OMC上固定葡萄糖氧化酶(GOX),可促使检测的葡萄糖在GOX上的氧化反应的进行。研究表明,NiFe2/OMC复合材料表现出更好的电化学传感性能。 (4)利用浸渍和原位退火方法制备了RuO2/OMC和RuO2-Fe2O3/OMC复合材料。Ru02和RuO2-Fe2O3的纳米颗粒粒径分别为1.86、2.23nm,可以比较容易沉积并嵌入在OMC的孔道壁上,且不会堵塞介孔孔道,有利于电极反应过程中电子的传递。RuO2-Fe2O3纳米颗粒均匀分散于二维介孔碳孔壁上的RuO2-Fe2O3/OMC复合材料具有高比表面积(768m2/g)、较大的孔容(1.01cm3/g)和合适的孔径(4.3nm),为离子与电荷的传递提供了合适的孔道。电化学分析表明:RuO2-Fe2O3/OMC电极在酸性电解液中具有较小的阻抗值。其最大电化学比容量可以达到265F/g,表现出高的电化学稳定性(900圈)、高的能量密度(21.3Wh/kg)和功率密度(4000W/kg)。RuO2-Fe2O3/OMC电极实现了双电层电容和赝电容行为的结合,是较理想的超级电容器电极材料。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TB33

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 张云河,李新海,吴显明,许名飞,邓凌峰;合金化提高铂在PEMFC氧还原反应中的催化活性[J];电源技术;2004年08期
2 李艳华;黄可龙;;Co_3O_4/CoO/Co/石墨复合材料的制备及其电容性能研究[J];化学学报;2011年18期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 徐彬;新型碳纳米材料在电化学传感和超级电容器中的应用研究[D];华南理工大学;2011年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 彭红建;谢佑卿;;电催化剂Pt的原子状态和性质[J];中国科学E辑:技术科学;2006年07期
2 张燕,王正;质子交换膜燃料电池[J];可再生能源;2005年04期
3 潘海玲;李丽;刘江华;贾殿赠;;石油沥青基纳米碳球的制备及其电化学性能研究[J];化学学报;2013年05期
4 彭红建;谢佑卿;聂跃庄;;电催化剂Pt的电子结构和催化性能[J];中南大学学报(自然科学版);2007年01期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 聂明;WC增强燃料电池贵金属催化剂催化性能的研究[D];重庆大学;2007年
2 彭红建;质子交换膜燃料电池电催化剂Pt-Ru合金系的系统研究[D];中南大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 李兴旺;质子交换膜燃料电池催化剂的制备及表征[D];北京化工大学;2011年
2 党王娟;PEMFC用介孔碳为载体制备电催化剂及其性能研究[D];南京航空航天大学;2007年
3 赵桂网;有序介孔碳改性及其负载Pt催化剂的性能研究[D];南京航空航天大学;2008年
4 何亚婷;三维阳极微生物燃料电池的产电性能研究[D];沈阳建筑大学;2012年
5 吴坤;聚吡咯/氧化石墨烯复合材料的改性及其在超级电容器中的应用[D];上海交通大学;2013年
6 潘海玲;石油沥青基纳米碳材料的制备及其电化学性能研究[D];新疆大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 翟华嶂,李建保,黄勇;纳米材料和纳米科技的进展、应用及产业化现状[J];材料工程;2001年11期
2 张莹;刘开宇;张伟;王洪恩;;二氧化锰超级电容器的电极电化学性质[J];化学学报;2008年08期
3 吴雯;王永刚;李峰;夏永姚;;模板法制备的有序介孔Co_3O_4的电化学电容行为[J];化学学报;2009年03期
4 刘长虹,程国安,艾云龙;热化学气相沉积法制备定向碳纳米管薄膜[J];南昌大学学报(理科版);2005年01期
5 郑言贞;张密林;陈野;;RuO_2·xH_2O/MWNTs纳米复合物的超级电容特性研究[J];无机化学学报;2007年04期
6 吴孝松;;碳化硅表面的外延Graphene[J];物理;2009年06期
7 李玉宝,解思深,周维亚,王刚,魏秉庆,吴德海;碳纳米管对Fe-P非晶的力学性能和晶化行为影响的研究[J];新型炭材料;2000年03期
8 慈立杰,魏秉庆,梁吉,吴德海;碳纳米管的制备[J];新型碳材料;1998年02期
9 李志杰,梁奇,陈栋梁,瞿美臻,张伯兰,于作龙;碳纳米管和石墨在电化学嵌锂过程中的协同效应[J];应用化学;2001年04期
10 盛雷梅,范守善;金属基底上定向碳纳米管阵列的生长及其场发射性质[J];真空科学与技术学报;2005年04期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张合;高木荣;卓清松;林鸿明;林诗杰;;改良式真空潜弧系统制备TiO_2纳米流体[J];过程工程学报;2006年S2期
2 韩立安;常琳;牟国栋;孟泉水;朱金山;;Co_3O_4纳米颗粒的溶胶凝胶法制备及磁性[J];西安科技大学学报;2008年03期
3 柯华;寇晓静;王文;贾德昌;吕喆;周玉;;SrBi_2Ta_2O_9纳米颗粒的Raman光谱研究[J];稀有金属材料与工程;2009年S2期
4 张铭倚;王鹏;邢更妹;张钧;;同步辐射圆二色谱分析纳米颗粒对细胞DNA稳定性的影响[J];核技术;2011年02期
5 任玉华;钱良友;黄涛;刘汉范;;水热法制备氧化钯纳米颗粒[J];化学与生物工程;2011年04期
6 梁沂滨;;“纳米”让我们激动[J];乡镇企业科技;2001年03期
7 伍一军,陈瑞,刘承芸,李薇;农药残留及其纳米颗粒的毒性问题[J];农药;2005年08期
8 涂伟毅,徐滨士,董世运,蒋斌;纳米陶瓷颗粒的电催化效应及其在复合刷镀层中的化学状态[J];无机化学学报;2005年08期
9 钟国清,蒋琪英;室温固相反应制备非晶态Co-B纳米合金[J];现代化工;2005年07期
10 单民瑜,杨觉明,张海礁,刘秀兰;微乳液法制备ZnS纳米颗粒[J];西安工业学院学报;2005年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杨丽萍;赵帆;丁彬;;柔韧纳米颗粒修饰的静电纺SiO_2纤维膜自清洁性能研究[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
2 李梅;朱利中;;水中ZnO纳米颗粒的溶解行为及对大肠杆菌毒性的影响[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
3 徐海峰;郝保同;刘连军;唐临利;刘宝林;;纳米低温保护剂玻璃化过程中热学性质的DSC研究[A];走中国创造之路——2011中国制冷学会学术年会论文集[C];2011年
4 甘阳;;针尖增强拉曼光谱(TERS)的针尖上纳米颗粒修饰技术研究进展[A];第十六届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2011年
5 丁宏秋;胡彦杰;李春忠;;多重射流燃烧反应器制备Al_2O_3纳米颗粒及其结构调控[A];中国颗粒学会第七届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集[C];2010年
6 密丛丛;田振煌;徐淑坤;;LaF_3:Ce,Tb发光纳米颗粒的微波辅助加热合成[A];中国化学会第十届全国发光分析学术研讨会论文集[C];2011年
7 葛昌纯;胡芳仁;;溶胶凝胶-自燃合成BaTiO_3纳米颗粒的研究[A];2003年纳米和表面科学与技术全国会议论文摘要集[C];2003年
8 严长志;谢俊;张宇;顾宁;;高温热解法制备不同形貌的磁性锰锌铁氧体纳米颗粒[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
9 夏英静;殷乐;翟小杰;徐健;;一步合成表面羧基官能化的α-Fe_2O_3纳米颗粒及其表征[A];中国化学会第28届学术年会第12分会场摘要集[C];2012年
10 蒋燕萍;谢键;余红明;邬春阳;曹高劭;赵新兵;;锂离子正极材料Li_4Mn_5O_(12)纳米颗粒的制备及其电化学性能[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第6分册)[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 赵文;超级电容器:正在升起的新兴行业[N];科技日报;2004年
2 本报记者 彭友 石丽晖;深圳惠程拟参与组建新能源公司[N];上海证券报;2009年
3 何永晋;我国有了“超级电容器”[N];科技日报;2000年
4 记者 过国忠 通讯员 陈培;我国研制出基于超级电容器的动态电压恢复器[N];科技日报;2011年
5 辽宁工学院 陈永真;超级电容器原理及电特性[N];中国电子报;2003年
6 昆明 兰得春;超级电容[N];电子报;2007年
7 记者 刘丽伟;森塬活性炭自主研发国内空白产品[N];朝阳日报;2010年
8 记者 金晓明;研究支持措施 推进超容产业[N];朝阳日报;2010年
9 赵文;成就集星科技新能源[N];科技日报;2004年
10 李俊 记者 王春;申城首辆超级电容公交车运营[N];科技日报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 谢春娟;复合荧光二氧化硅纳米颗粒的制备及其在生物分析和光催化降解中的应用[D];上海大学;2010年
2 程冰;光子晶体用纳米颗粒的制备改性自组装及其光学性能[D];陕西科技大学;2008年
3 项东;铁基合金与氧化物纳米粒子修饰有序介孔碳电化学性能研究[D];山东大学;2013年
4 杨平;常压等离子体聚合共轭聚合物荧光纳米颗粒的研究[D];东华大学;2010年
5 任翠领;新型光学—磁性纳米生物材料的液相合成、表征及性质研究[D];兰州大学;2010年
6 陶可;Fe_3O_4纳米颗粒的制备、修饰与细胞转染研究[D];上海交通大学;2008年
7 李芳;尺寸形貌可控磁性纳米粒子的制备及表征[D];兰州理工大学;2011年
8 程昌明;面向磁共振成像应用的Fe_3O_4纳米颗粒/团簇的可控制备[D];上海交通大学;2010年
9 左光宏;纳米颗粒与环境水结构对蛋白质构象影响的分子动力学模拟研究[D];复旦大学;2010年
10 李岳彬;硫化物半导体发光纳米晶和稀土荧光纳米颗粒的制备、表征及应用研究[D];华中科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王辉;纳米颗粒在振动流化床中的聚团流态化研究[D];中南大学;2010年
2 王国军;金纳米颗粒大小和覆盖率对GOD结构和生物活性影响研究[D];华东师范大学;2011年
3 刘玲玲;二氧化钒纳米颗粒薄膜的金属—半导体相变[D];南京大学;2011年
4 章锋;磁场协助作用下非磁性纳米颗粒的流态化[D];中南大学;2010年
5 海罗;基于二氧化硅纳米颗粒的抗肿瘤药物载体研究[D];湖南大学;2010年
6 陈丽丽;新型光学纳米颗粒在光学生物成像和太阳能电池中的应用[D];浙江大学;2010年
7 王卫佳;可生物降解高分子微球载药系统的研究[D];西南交通大学;2010年
8 刘献省;锡酸锌纳米颗粒及其复合体系的表面光电性能研究[D];河南大学;2010年
9 张照晖;Co_3O_4和NiO的纳米铁磁性[D];兰州大学;2011年
10 王金凤;叶酸靶向聚合物纳米微粒的制备及紫杉醇的靶向传递[D];西北农林科技大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026