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《国防科学技术大学》 2015年
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超细碳纤维的组成结构调控及其性能研究

施旗  
【摘要】:超细碳纤维具有化学稳定性好、比表面积大、孔结构多、导电性好等优点,在催化、储氢和吸附等能源与环境方面的应用备受关注。但由于其具有活性位点较少、接触阻抗较大等问题,限制了电子的有效转移和传输,抑制了电化学性能的提高。采用异原子掺杂或引入石墨烯/CNT使纤维互连的方法能促进活性位点的增加和接触阻抗的降低,对电化学性能的提高十分重要。本论文开展了如下三方面的研究工作。第一、为了获得比表面积较大、活性位点较多的碳纤维基催化剂,结合静电纺丝和后处理掺杂方法,制备了B,N共掺杂的多孔CNF。研究了H_3BO_3和CO(NH_2)_2的B,N共掺杂处理及NH_3处理对其吸附性能和电催化性能的影响。B,N共掺杂的CNF(BNCf-N)中引入了B-N-C位点,B和N掺杂在提高电催化性能方面具有协同效应;采用NH_3处理制备了B,N共掺杂的多孔CNF(BNCf-NA),获得了更大的比表面积(306.3 m2 g-1)、引入了更多的微孔且优化了表面官能团。MB的吸附测试表明4 min内就表现出了99%的吸附量。电化学测试表明BNCf-NA具有更大的电催化活性比表面积,起始电势为-0.068 V(vs Ag/AgCl),仅比Pt/C的负60 mV。第二、为了同时获得具有较多活性位点和较高导电性的碳纤维基催化剂,基于静电纺丝和原位生长方法,将预氧化的Co-PANf与g-C3N4和三聚氰胺共热解制备了互通的NG/Co-CNT/CNF复合纤维网,研究了石墨烯和CNT原位生长及其对吸附性能和电催化性能的影响。结果表明,纺丝液中Co(NO_3)_2·6H_2O与PAN的质量比为1:10和1:15时,所制得的样品具有较好的电催化性能,且在1:15情况下有CNT生成。NG和CNT的同时引入提供了更多的活性位点并促进了电子在纤维间的传输,使其表现出比NG/CNF和CNF更好的电催化性能。在0.48 mg cm-2负载量下,NG/Co-CNT/CNF与Pt/C的半波电势差值仅为33 mV,表明互通的网结构具有更好的ORR活性。第三、基于生物质热解和原位生长方法,将蚕茧与g-C3N4和三聚氰胺共热解制备了氮掺杂的石墨烯-蚕茧基碳纤维(NG-SCC_f)复合纤维网,研究了其组成结构、电催化和光催化活性。结果表明,复合纤维网中原位生长了石墨烯后,N含量从2.08增加到7.19 at.%,引入了更多的活性位点,电催化性能得到提高,且光催化产氢速率从14.9增加到65.5μmol h-1 g-1;纤维互通能为电子传输提供多路径,原位生长的NG使电荷快速传输,使电子-空穴有效分离,从而加速了产氢的还原过程。该纤维网作为双功能催化剂具有广阔的应用前景。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TQ342.742

【参考文献】
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