中空碳球的制备及其在甲醇燃料电池中的应用

论文摘要

中空碳球（HCS）作为一种新型甲醇燃料电池的电催化剂载体,由于其结构可控、密度低、比表面积高和电催化性能良好等性质,受到了国内外科学工作者的广泛关注。模板法作为一种简单的制备可控形状物质的方法,开辟了制备中空碳球的一个全新领域。本论文分别以二氧化硅和聚苯乙烯作为核模板合成中空碳球,同时将Pt纳米粒子催化剂包裹在中空碳球的内部,使中空碳球功能化,合成Pt纳米粒子催化剂核/中空碳壳（Pt@C）微球,并研究了将其用于甲醇燃料电池电极的催化性能。主要研究工作如下:1.以二氧化硅为核模板,酚醛树脂为碳源,分别采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTS）对二氧化硅表面进行功能化修饰,合成中空碳球,并通过控制酸催化缩聚反应的作用点,得到了不同形貌的碳材料。用SEM、FT-IR和TGA对所制材料进行了表征。研究结果证明,修饰剂的选择对中空碳球的形貌和稳定性具有很大的影响,APTS作为二氧化硅表面修饰剂,通过氢键与酚醛树脂结合,因此所形成的中空碳球的球形结构和稳定性最好。此外,不同的酸催化活性点对碳材料表面形态也有很大影响。通过改变酸催化缩聚反应的作用点,可以得到单一分散的中空碳球和有序排列的多孔碳材料。2.以磺化聚苯乙烯球为模板,苯胺为碳源,制备中空碳球。采用SEM、TEM、XRD、FT-IR、TGA和CV对所制的样品进行了表征。研究结果表明,制备的中空碳球壁厚为35nm且粒径均匀,中空碳球的形貌和壳层厚度受聚苯乙烯模板磺化度的影响。对聚苯乙烯球表面进行磺酸化8h是制备中空碳球最合适的模板。CV研究结果表明,将所制备的中空碳球（HCS）用作催化剂载体,合成Pt/HCS催化剂在甲醇电化学氧化中表现出较Pt/C催化剂更高的催化性能,其甲醇电化学氧化峰电流密度比Pt/C催化剂高了1.86倍。3.采用模板法制备了铂纳米核/中空碳壳（Pt@C）微球,作为一种新颖的催化剂,将其应用于甲醇燃料电池催化剂,并用XRD、SEM-EDS、TEM、TGA、N2吸附和CV等手段对材料的催化剂粒径、负载情况及催化性能进行了表征。研究结果表明,中空碳球表面存在介孔结构,铂纳米粒子催化剂均匀的分散在中空碳球内部,并在甲醇燃料电池的甲醇氧化中显现出良好的催化性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 碳材料简介
• 1.2 球型碳材料简介
• 1.2.1 球型碳材料的发展
• 1.2.2 球型碳材料的分类及碳源的选择
• 1.3 中空碳球的制备方法及研究进展
• 1.3.1 化学气相沉积法（CVD）
• 1.3.2 冲击压缩法
• 1.3.3 金属还原法
• 1.3.4 水热法
• 1.3.5 模板法
• 1.4 中空碳球的应用
• 1.4.1 用作燃料电池催化剂载体
• 1.4.2 用作储氢材料
• 1.4.3 用作锂离子电池负极材料
• 1.4.4 中空碳球的其它应用
• 1.5 实心核/中空壳微球材料
• 1.5.1 实心核/中空壳微球材料简介
• 1.5.2 实心核/中空壳微球材料的分类与制备方法
• 1.6 本论文研究的意义、目的和主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 二氧化硅模板法制备中空碳球
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验试剂及仪器
• 2.1.2 二氧化硅的制备
• 2.1.3 二氧化硅表面不同功能化处理
• 2.1.4 中空碳球的合成
• 2.1.5 多孔碳材料的合成
• 2.1.6 样品测试与表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 制备中空碳球和多孔碳材料的的机理
• 2.2.2 二氧化硅球的合成与讨论
• 2.2.3 中空碳球的合成与讨论
• 2.2.4 多孔碳材料的合成与讨论
• 2.3 结论
• 参考文献
• 第三章 聚苯乙烯模板法制备中空碳球
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验试剂及仪器
• 3.1.2 聚苯乙烯球的合成
• 3.1.3 聚苯乙烯球的表面磺化
• 3.1.4 磺酸化聚苯乙烯/聚苯胺（PS/PANI）核/壳复合球的合成
• 3.1.5 中空碳球（HCS）的合成
• 3.1.6 催化剂的制备
• 3.1.7 样品测试与表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 聚苯乙烯模板法合成中空碳球的机理
• 3.2.2 聚苯乙烯球和磺化聚苯乙烯球的表征
• 3.2.3 磺化聚苯乙烯/聚苯胺（PS/PANI）复合球的表征
• 3.2.4 中空碳球的表征
• 3.2.5 磺化时间对聚苯胺壳层厚度和复合球分解温度的影响
• 3.2.6 催化剂电化学性能表征
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 铂纳米核/中空碳壳（Pt@C）微球的制备
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验试剂及仪器
• 4.1.2 聚苯乙烯/铂（PS/Pt）核/壳结构的制备
• 4.1.3 聚苯乙烯/铂/聚苯胺（PS/Pt/PANI）核/壳结构的制备
• 4.1.4 铂纳米核/中空碳壳（Pt@ C）微球的制备
• 4.1.5 工作电极的制备
• 4.1.6 样品测试与表征
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 铂纳米核/中空碳壳（Pt@ C）微球的合成机理
• 4.2.2 PS/Pt 的表征与讨论
• 4.2.3 PS/Pt/PANI 和Pt@ C 颗粒的表征与讨论
• 4.2.4 电化学性能表征
• 4.3 结论
• 参考文献
• 第五章 结论及进一步工作设想
• 5.1 结论
• 5.2 本论文创新之处
• 5.3 工作展望
• 硕士期间的研究成果
• 致谢