元素掺杂碳基介孔材料的制备及其氮还原电催化性能研究

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中文摘要：氨(NH3)被认为是农业肥料和可再生能源的重要化学物质，目前众所周知的氨的生产方式还是Haber-bosch，这种氨的合成方式不仅耗资高，耗能高，产率和环保率也很有局限性。因此设计生产廉价高效的常见元素/氮共掺杂碳基材料应用于电催化氮还原反应(NRR)合成氨得到了广泛的关注。基于以上研究背景，本文以寻找简单易操作的实验方法和性能优良、成本低廉的前驱体选材为研究目的，分别选用乙酰丙酮钒、植酸钠盐和正十二硫醇作为前驱体，硝酸锌和2-甲基咪唑为有机配体，采用溶胶凝胶法成功合成V/N，S/N，和P/N双元素共掺杂的3个系列碳基催化材料。利用X射线衍射仪，透射电子显微镜，X射线光电子能谱和拉曼光谱等对催化剂进行了表征分析，并分析了这些掺杂碳基介孔氮还原催化剂在常温常压下电化学NRR的催化活性。主要研究内容如下： 1、采用溶胶凝胶法，将乙酰丙酮钒、硝酸锌和2-甲基咪唑的物质的量比为12.5%：1：4合成催化剂前驱体V/N-C，通过对煅烧温度分别为700、900和1100℃的前驱体热处理得到所需催化剂，制于旋转圆盘电极进行电化学NRR测试。研究发现1100℃热处理条件下，催化剂对NRR的催化活性最佳，在0.1mol/LKOH为电解质溶液，外加电压为-0.4V(vs. RHE)时，其氨的生产速率可达7.092μmol/(cm2·h)，法拉第效率(FE%)为23.88%，且催化剂具有良好的稳定性。在给定电压下恒电位电解时发现-0.6V(vs. RHE)处电流效率为55%，此时的催化剂同时具有催化HER和NRR两种电化学性能。改变乙酰丙酮钒在前驱体中物质的量的比值分别为50%、25%、6.25%、3.125%发现，在相同电位下比值为3.125%的电流密度达4.12mA/cm2是比值为12.5%的2倍。 2、同样采用溶胶凝胶法，将正十二硫醇、硝酸锌和2-甲基咪唑的物质的量比为2：1：4合成催化剂前驱体S/N-C，并通过对煅烧温度分别为700、800、900、1000和1100℃的前驱体热处理得到所需催化剂，制于旋转圆盘电极进行电化学NRR测试。研究发现1100℃热处理条件下的催化剂对NRR表现出最佳催化活性。在0.1mol/LKOH电解质溶液，外加电压为-0.6V(vs. RHE)的实验条件下最高电流密度可达15mA/cm2，并在12h的恒电位电解下对电化学NRR具有很好的稳定性。 3、采用与1、2相同的制备方法，将植酸钠盐、硝酸锌和2-甲基咪唑的物质的量比为0.3：1：4合成催化剂前驱体P/N-C，通过对煅烧温度分别为700、800、900、1000和1100℃的前驱体热处理得到所需催化剂，用于电化学NRR的催化活性测试。研究发现热处理温度越高其对NRR电催化的活性越好。在0.1mol/LKOH为电解液，外加电压为-0.6V(vs. RHE)时，电流密度最高，可达13mA/cm2，对NRR同样表现出非常好的电催化稳定性。

作者：

李琳

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关键词：

介孔碳氮还原电催化性能元素掺杂碳基介孔材料

授予学位：

硕士

学科专业：

材料科学与工程;材料学

导师：

姚陈忠

学位年度：

2020

学位授予单位：

山西师范大学

语种：

中文

中图分类号：