生物质衍生多孔碳基纳米复合催化剂的合成及其应用研究
能源结构的改变与人们的生活息息相关。近年来，化石燃料的大量使用所引发的环境污染问题和全球能源危机备受关注。对硝基苯酚(4-NP)作为废水中典型的有机染料污染源，应该高度重视对其的处理。而在能源储存方面，广大学者不断探求新的储能装置来试图取代传统化石燃料的使用，如燃料电池、金属空气电池和全水解反应装置等。其中，比较关键的反应有:氧还原反应（ORR），析氧反应(OER)和析氢反应(HER)。常用的贵金属电化学催化剂铂(Pt)、钌(Ru)和铱(Ir)不仅成本高，而且无法保证在催化过程中同时拥有高催化活性和高催化稳定性。因此，急切需要开发一种高效、耐用、低成本的具有降解4-NP、催化电化学反应多功能的催化剂。 本文主要阐述了一种以新鲜采摘的冬青叶为原料、以硝酸钴为前驱体的简单浸渍合成法，用以制备形貌可控的生物质衍生多孔碳负载钴基纳米复合催化剂。通过XRD、TEM、HRTEM、XPS、EDS等相关表征方法证实了蛋黄—蛋壳新结构(Yolk-Shell)的存在，并通过对照实验推测出了蛋黄—蛋壳结构形成机理及反应性能增强原因。电化学测试结果表明，所合成的Yolk-Shell Co-CoO/BC具有优异的多功能电催化活性，其电催化ORR性能优于Solid Co-CoO/BC，与商业铂碳(Pt/C)相近。在碱性条件下，半波电位与起始电位分别可达0.82V和0.91V(vs.RHE)且催化过程路径为典型的4e-路径。此外，Yolk-Shell Co-CoO/BC的全水解电压仅为η10=1.77V，催化性能优于贵金属商业Pt/C。 本文还分别采用传统煅烧磷化法、低温熔融盐磷化法对Yolk-Shell Co-CoO/BC进行磷化，成功制得CoP/BC-T和CoP/BC-MS两种磷化钴纳米球催化剂。通过XRD、TEM、HRTEM、XPS、EDS等相关表征方法对材料的形貌和组成进行定性和定量分析，电化学测试结果表明，所合成的CoP/BC-T的HER性能优于CoP/BC-MS、Yolk-Shell Co-CoO/BC，与商业Pt/C相近。在电流密度为10mA·cm-2时，CoP/BC-T、CoP/BC-MS、Yolk-Shell Co-CoO/BC的电位分别为0.07V、0.14V、0.23V，这表明磷元素的引入有助于增强材料的HER性能。 此外将合成的两类催化剂(Co-CoO/BC、CoP/BC)进行4-NP加氢测试，结果显示所合成的具有中空结构的CoP/BC-T、Yolk-Shell Co-CoO/BC性能较好，分别用3.5min、7.0min完成了整个催化过程。在循环使用5次后，转换率仍分别可达90.1％、87.5％。综上所述，具有中空结构的两种催化剂具有优异的4-NP加氢活性及稳定性。本文所使用的合成方法操作简单、成本低，通过调控制备条件变量可制得具有特殊结构的高效催化剂，对后期合成此类特殊结构催化剂具有一定的参考意义。
纳米复合催化剂;生物质衍生多孔碳;磷化钴纳米球;浸渍合成法;蛋黄-蛋壳结构;电催化活性
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
程道建
2019
中文
TQ426.6
2019-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）