用于钠离子电池负极和燃料电池阴极催化层的碳基材料的合成及应用研究

【摘要】：Sp2杂化的碳材料具有高导电性、层间距可调性和化学性质稳等特异的物理化学性质,在电化学能源储存与转化方面起着关键性作用,如作为钠离子电池(SIBs)负极材料,作为质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的催化剂载体。探索碳材料合成与特定电化学性能的构效关系是碳材料研究的主要领域。为研究碳材料在新能源材料领域中的应用,本论文以富氮的有机化合物作为前驱体,利用简单的一步固相法和溶液反应法完成自掺杂,然后经过碳化制备氮掺杂碳和氮硫共掺杂的多孔碳材料,并研究他们的电化学储钠性能。另外,在实验的基础上建立一个模型来模拟垂直阵列碳纳米管(VACNTs)为载体的催化剂层在燃料电池中的催化过程,从而优化反应过程中的参数条件,使催化效果达到最佳。具体工作如下:(1)固相法制备富氮多孔碳微米球簇及其储钠性能的研究:以富氮有机物5-氨基尿嘧啶为前驱体,在不同温度下经过一步固相法合成高氮含量的多孔碳微米球簇,将不同碳化温度下所得的不规则碳球簇应用于SIBs负极材料,结果显示,当碳化温度为750℃时,电极材料表现出优异的钠储存性能,在50 mA g~(-1)的电流密度下表现出324.5 mAh g~(-1)的可逆比容量,当电流密度扩大100倍,即增大到5 A g~(-1)时仍然有136.4 mAh g~(-1)的可逆容量,可见倍率性能优异,在5A g~(-1)的电流密度下经过8000个循环后比容量几乎没有变化,显示出优异的长循环稳定性。这种能完成自我掺杂的制备方法为氮杂碳材料的合成提供了一条新的思路。(2)氮硫共掺杂树枝状多孔碳的制备及其储钠性能的研究:以2,4-二氨基-6-甲基-1,3,5-三嗪富氮有机物为碳源,过硫硫酸铵既为引发剂又作少量硫源,在冰水浴条件下进行自聚合反应,将产物干燥后在900℃条件下碳化即可得氮硫共掺杂的多孔碳材料,并向反应体系中加入硫脲提高多孔碳的硫含量,探究硫含量对电极材料钠储存性能的影响。在未添加硫脲的体系中制备的多孔碳应用于SIBs负极材料时在50 mAh g~(-1)电流密度表现出202.4 mAh g~(-1)的可逆比容量和40.8%的初始库伦效率,当加入硫脲之后同等条件下可逆比容量增大到268.7 mAh g~(-1),首圈库伦效率提高到50.2%。(3)垂直排列碳纳米管的制备及其燃料电池阴极催化层性能测试与仿真模拟研究:以乙烯为碳源,通过等离子增强化学气相沉积法制备垂直排列碳纳米管并将其应用于燃料电池阴极催化层,在实验基础上构建有序结构的阴极催化剂层(CCL)的3D模型,该模型使用VACNTs作为催化剂载体以优化电极的结构,并探索实现美国能源部(DOE)2020技术目标的可能性。通过与单个实际燃料电池进行比较,验证了该模型的有效性,进行了包括VACNTs的长度和间距以及Nafion厚度在内的多种参数研究,以优化VACNTs CCL。结果表明,基于VACNTs的CCL具有快速的反应特性,即使在水淹条件下也具有优异的性能,并且通过优化电极结构后与实际的VACNTs CCL相比,在0.8 V的阴极电位下电流密度可以提高26%,在阴极电位为0.75 V时电流密度可以增加84%。此外,通过其他CCL参数调整,包括VACNTs的半径、每催化剂活性比表面积、水淹条件和Pt负载量等可以实现美国能源部(DOE)燃料电池2020的技术目标,这使得VACNTs CCL称为实现低Pt载量燃料电池非常有潜力的技术。