氮掺杂碳基非金属催化剂的制备、表征及氧还原活性的研究

燃料电池是一种清洁高效的发电装置,然而其阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢,往往需要贵金属作为催化剂,制约了燃料电池的应用与发展。为了寻找相对廉价高效的氧还原催化剂,本研究以多壁碳纳米管(MWCNTs)为载体,制备了氮掺杂碳纳米管外包多孔碳(CNTs@MPC-N)催化剂。通过X-射线衍射(XRD)分析,证明了碳纳米管外壁所包裹的碳层为无定型碳;X-射线光电子能谱(XPS)分析结果表明,N元素成功掺入到了催化剂中。采用透射电镜(TEM)和电化学线性扫描(LSV)等对催化剂的形态和电化学性能进行了表征,结果表明:该催化剂催化氧还原反应过程为4电子过程,碳层的包覆有利于氮元素的掺杂,与其他氮掺杂碳基非金属催化剂相比,氮含量提高了2%~3%。本研究为提高掺杂氮含量提供了新的方法,基于目前的研究现状,展望了氮掺杂碳基非金属催化剂在燃料电池中的应用前景及未来的发展趋势。     

核壳型碳-铝复合纳米粒子的制备及其抗氧化性能研究

纳米铝粉由于具有较小的粒径和较高的比表面积因此在含能材料中具有很大的潜在应用,但由于纳米铝粉的高化学反应活性,因而其对所处环境特别敏感,极易在空气和潮湿环境中被氧化而失去活性.碳包覆技术是近年来采用的新型纳米粒子包覆技术,是指在金属纳米粒子表面形成碳包覆层从而可有效地保护纳米粒子不受环境的影响而发生氧化反应或者其它反应,同时也为研究封闭环境中纳米材料的性质提供了一种新途径.本文采用碳弧法制备了碳包铝复合纳米粒子,研究影响其形貌的因素和室温抗氧化性能.结果表明：碳弧法制备的碳铝复合物是20～60nm之间的具核壳结构的球形纳米粒子,内核为fcc结构的Al,外壳为4～10层类石墨碳膜 碳铝比例、放电电压和反应气压都能对碳铝复合纳米粒子的包覆性能和粒径产生直接的影响.铝含量低时碳层包覆性能较好并且粒径较小,铝含量增大包覆性能会下降、纳米粒子粒径会随金属含量增加而增加 包覆性能随放电电流反应气体压强增大会有所下降,在200A时纳米粒子的粒径达到最大值 粒径随反应气压增大而增大.当金属含量为60%、电流为125A、惰性气体气压为0.06MPa时制备的碳铝纳米粒子包覆比较完整,粒径较小,通过对工艺参数调整和优化,可制备出包覆比较完整、大小均匀、粒径较小、纯度高的核壳型碳包铝纳米粒子.     

丙硫醇辅助合成石墨化碳载Pt纳米颗粒以提高燃料电池启停性能（英文）

石墨化碳作为质子交换膜燃料电池的阴极催化剂载体，虽然在增强催化剂抗腐蚀性方面具有显著优势，但由于其孔隙率低，缺乏缺陷结构，在石墨化碳载体上制备小尺寸Pt纳米颗粒依然面临挑战。本文报道了一种使用丙硫醇辅助浸渍法，来实现石墨化碳上Pt纳米颗粒的尺寸控制。研究表明，丙硫醇在浸渍过程中与Pt配位形成的配位络合物，在随后的热还原过程转化为硫掺杂碳涂层，从而保证了石墨化碳上小尺寸Pt纳米颗粒的合成。由于有效的尺寸控制，相比于传统浸渍法，此方法所制备的阴极催化剂具有更高的燃料电池性能。我们使用美国能源部(DOE)推荐的耐久性测试方案对所合成的催化剂进行了加速应力测试。在1.0–1.5 V电压区间循环5000圈后，所制备催化剂在1.5 A·cm^-2电流密度处的电压损失仅为10 mV，可以忽略不计，达到了DOE载体耐久性目标(30 mV)。     

氮掺杂碳凝胶负载钯催化硝基苯加氢制苯胺

硝基苯催化加氢是当前工业上制备有机化工原料苯胺的主要方法。以氮掺杂碳凝胶(N-CX)为载体制备了Pd催化剂用于液相硝基苯的催化加氢制苯胺反应。用X-射线衍射、N_2物理吸附对催化剂的物相和织构进行了表征,考察了氮掺杂量、反应压力、反应温度、反应时间对反应活性的影响,并测试了催化剂的多次循环使用性能。结果表明:N-CX具有微孔碳材料的织构性能,作为载体能高分散在其表面的Pd纳米粒子,并在氮/碳前驱体质量比为0.5时制备的N-CX最适宜作为Pd催化剂的载体。反应的最佳条件是H_2压力为1.0 MPa,反应温度为60℃,反应时间为1.0 h。在上述条件下,催化剂显示出一定的循环反应活性,但转化率和选择性随着循环次数的增加有所下降。     

天然纤维素纳米微晶的制备及性质

分别以二甲基亚砜（DMSO）前处理过的棉纤维和没有经过二甲基亚砜前处理的棉纤维为原料制备了纤维素纳米粒子．通过TEM,WXRD,IR,DSC,TGA及元素分析等手段对其结构和性能进行了表征．TEM表明其形态为长度在数百纳米,直径在数十纳米的棒状粒子．IR分析表明两种情况下制得的纤维素纳米粒子和棉纤维具有相同的特征官能团．元素分析表明,该纳米粒子中碳、氧元素百分含量比棉纤维的更接近于理论值,而氢元素百分含量略高于理论值．WXRD分析表明纤维素纳米粒子和棉纤维属于同一种晶型,经过DMSO前处理制得的纤维素纳米粒子结晶度略有下降．热分析表明纤维素纳米粒子热稳定性低于棉纤维,经过DMSO前处理得到的纤维素纳米粒子表现更明显．     

天然纤维素纳米粒子的制备及性质

分别以二甲基亚砜(DMSO)前处理过的棉纤维和没有经过二甲基亚砜前处理的棉纤维为原料制备了纤维素纳米粒子.通过TEM、WXRD、IR、DSC、TGA及元素分析等手段对其结构和性能进行了表征.TEM表明其形态为长度在数百纳米,直径在数十纳米的棒状粒子.IR分析表明2种情况下制得的纤维素纳米粒子和棉纤维具有相同的特征官能团.元素分析表明,该纳米粒子中碳、氧元素百分含量比棉纤维的更接近于理论值,而氢元素百分含量略高于理论值.WXRD分析表明纤维素纳米粒子和棉纤维属于同一种晶型,经过DMSO前处理制得的纤维素纳米粒子结晶度略有下降.热分析表明纤维素纳米粒子热稳定性低于棉纤维,经过DMSO前处理得到的纤维素纳米粒子表现更明显.     

氮杂石墨烯负载钯的制备及其在Suzuki偶联反应中的应用

以廉价的尿素和氧化石墨烯(GO)为原料,在水热处理下得到氮杂石墨烯(NRGO).再利用液相氢气还原法,在氮杂石墨烯表面负载纳米钯颗粒,制得氮杂石墨烯负载的钯催化剂(Pd/NRGO).将其应用到Suzuki碳碳偶联反应中,表现出明显优于普通活性炭负载的Pd催化剂的催化活性.催化剂用量为0.023%Pd,温度为80℃,反应0.5 h,溴苯转化率在99%以上.催化剂稳定性好,甚至还能催化难度更大的氯苯转化.1     

摩擦材料基体树脂的杂化改性

采用原位聚合法合成了纳米坡缕石杂化树脂复合材料。用IR、TEM和TG/DTA技术,研究了杂化改性酚醛的结构和热稳定性能。结果表明:经表面处理的纳米粒子能较好地分散到树脂基体中,纳米粒径为30-200 nm.纳米坡缕石杂化树脂复合材料具有优异的热稳定性,较高的残碳率,达到绿色编织型制动带对基体树脂性能的要求。     

羟基磷灰石含量对纳米粒子-聚己内酯复合材料性能的影响

水热法合成纳米羟基磷灰石(HA)并将其分散在己内酯中,以其羟基为引发剂,在催化剂的作用下,引发己内酯开环聚合,制备纳米粒子-聚合物复合材料.NMR、DSC、XRD、PLM以及力学性能试验,探讨纳米粒子含量对复合材料的性能影响.随着纳米粒子含量的增加,聚己内酯(PCL)聚合度逐渐降低,在较高HA含量时,仍然存在较多的纳米粒子团聚;复合材料中PCL的结晶度基本不随纳米HA含量的变化而变化;HA含量为5wt%时,复合材料的断裂延伸率、抗拉强度以及压缩模量达到最大值;HA含量低于20wt%时,复合材料的弹性模量随着纳米粒子含量的增大而增加.     

小粒径分散性良好的纳米二氧化硅的制备

以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,利用St?ber法制备纳米二氧化硅,研究了实验条件对粒子形貌的影响.透射电镜(TEM)结果表明所制备的小粒径纳米二氧化硅粒子聚集严重.通过对St?ber法进行改进,采用水为溶剂,环己烷为油相,乙二胺为催化剂,TEOS水解成功制备了单分散性及稳定性良好的球形纳米二氧化硅.     

聚合诱导相分离法制备纳米Fe掺杂多孔炭

以2130酚醛树脂为碳质前驱体,乙二醇为溶剂,苯磺酰氯为催化剂,纳米单质Fe粒子为掺杂剂,通过聚合诱导相分离热解法制备了掺Fe多孔炭单体,主要分析了Fe对前驱体溶液和多孔炭形态的影响。结果表明:纳米Fe粒子使前驱体溶液的pH值降低,溶液开始凝胶的时间增长,不同酚醛树脂含量下纳米Fe掺杂多孔炭的微结构及性能具有明显差异。Fe主要化合态存在于FeS和C48H44Fe14.01N15O35.68中。     

碳载体对PtRu/C催化剂性能的影响研究

本文采用水热方法合成不同粒径和形貌的碳球,并将其作为载体,采用化学镀的方法制备PtRu/C催化剂;应用XRD、SEM和TEM对碳球及催化剂的结构和形貌进行表征。采用电化学方法测试不同形貌碳球的比表面积以及碳球担载催化剂的催化活性,结果表明,水热反应条件对碳球的粒径及形貌影响显著,三种碳球担载催化剂的活性按照以下顺序衰减：多孔的粒径约为100nm的碳球担载PtRu催化剂优于连体碳球优于直径约500nm的单分散碳球担载催化剂。TEM分析结果表明,在碳球表面化学镀的PtRu纳米颗粒均匀分散在碳载体表面,其平均粒径约为3nm。电化学测试表明粒径为100nm的多孔碳球的电化学比表面积较大,以这种碳球为载体的PtRu/C催化剂对甲醇氧化的催化性能较高。     

三元合金Au-Cu-Ni/C纳米粒子对BH_4~-电催化性能的影响

为抑制直接硼氢化物燃料电池中的BH_4~-在阳极氧化反应中的水解问题,采用传统的多元醇还原法制备了Au/C,Au_1-Cu_4/C和Au_(0.5)-Cu_1-Ni_1/C等3种纳米粒子,并对BH_4~-在不同催化剂上的电氧化性能进行了测试。结果表明:所制备的3种纳米粒子均匀地分布在碳载体上,平均粒径约在8~17nm之间。BH_4~-在Au_(0.5)-Cu_1-Ni_1/C上发生直接氧化的电位最负,氧化转移的电子数最多,为6.0,大约是Au/C纳米粒子转移电子数的6倍。在贵金属Au含量均为20%的两种纳米粒子Au_1-Cu_4/C和Au_(0.5)-Cu_1-Ni_1/C上,Au_(0.5)-Cu_1-Ni_1/C有更小的电荷转移电阻331.9Ω/cm~2,3种纳米粒子的催化性能由大到小依次为:Au_(0.5)-Cu_1-Ni_1/C,Au_1-Cu_4/C,Au/C.故在二元合金催化剂Au-Cu/C的基础上发展三元合金催化剂Au-Cu-Ni/C很有必要。     

碳包覆磁性金属纳米粒子的制备及表征

以含Fe，Co的SiO2气凝胶为催化剂，采用CVD法高温气相催化裂解甲烷的方法合成了碳包覆铁钴磁性纳米粒子，并用透射电子显微镜、X射线衍射仪等对材料的形貌、相结构进行了表征，采用振动样品磁强计对其静态磁性进行了测试。结果表明，碳包覆Fe／Co磁性纳米粒子，主要呈球形和椭球形，其包覆层为20层左右的石墨层，另有少量粒子被纳米碳管包覆，位于纳米碳管顶端。其饱和磁化强度Mo和矫顽力Hc分别为146．4kA／m和3468A／m。     

化学镀法制备Pt/Au-PAN催化电极及其催化氧化甲醇性能研究

利用静电纺丝和化学镀技术相结合的方法,制备出镀金聚丙烯腈杂化纤维膜Au-PAN,然后以此为载体,再利用化学镀法在该膜的表面镀上一层铂纳米粒子,从而构建出催化电极Pt/Au-PAN.为了比较,在相同条件下将商用Pt/C滴涂到Au-PAN基底上构建催化电极Pt/C/Au-PAN.采用SEM、TEM和XRD对催化电极结构表征,并研究其催化氧化甲醇的性能.结果表明:用化学镀法制备的Pt/Au-PAN电极对甲醇的电化学氧化活性和稳定性都明显优于商用铂碳催化剂.     

多孔碳基-金纳米球的仿生制备及结构表征

金纳米粒子(Au NPs)因具有较高的表面能而很容易团聚,致使其应用受到限制;在催化领域通常使用前体还原、负载得到金纳米粒子以及利用稳定剂防止金纳米粒子团聚,从而提高其稳定性和催化活性。本研究从绿色化学角度出发,以天然的茶多酚为碳前体,利用多酚的氧化自聚合,通过自组装一步法制备了不同形貌的多孔茶多酚-金纳米球(TP-Au NPs),再经高温碳化得到多孔碳基-金纳米球(CNS-Au NPs),并考察了聚合温度对多孔碳基-金纳米球孔径和粒径的影响。结果表明:随着聚合温度的降低,多孔碳基-金纳米球的粒径逐渐减小,孔径、比表面积逐渐增大,催化活性升高。     

氮掺杂碳纳米片的制备及其氧还原反应催化性能研究

氧还原反应(ORR)的催化剂是燃料电池等能量转换技术的核心问题。以糖粉、小苏打和三聚氰胺为主要原料,经过预碳化和高温裂解后,获得了氮掺杂的碳纳米片(NCNS)ORR催化剂。由于在碳纳米片中形成了吡啶氮和石墨氮,该催化剂在碱性条件下显示出优异的氧还原性能。电化学测试表明,半波还原电位为0.84 V(vs.RHE),极限电流密度为4.4m A/cm~2,二者均略优于商业铂/碳(Pt/C)催化剂,此外该ORR催化剂具有较好的稳定性和耐甲醇毒性。鉴于NCNS具有ORR催化活性高、制备方法简单、无贵金属掺杂等优点,其作为Pt/C催化剂的替代品将具有广阔的应用前景。     

聚酰亚胺纳米杂化材料的研究进展

纳米粒子在PI材料中分散性良好,聚酰亚胺(PI)中引入无机纳米粒子,可弥补PI的性能缺陷(如较高的热膨胀系数和较低的吸水性),非常适合对PI改性。本文阐述了PI纳米杂化材料的制备方法以及纳米杂化材料的特点及应用。     

乙醇在碳载纳米Pt及纳米Pt-WO_3电极上的催化氧化

将纳米Pt/玻碳和纳米Pt -WO3 /玻碳电极应用于乙醇的电催化氧化 ,发现所制备的催化剂电极具有较高的电催化活性。探讨了乙醇在这些电催化电极上的循环伏安曲线中各个峰产生的原因     

多级孔TiO_2担载金钯纳米催化剂在CO氧化反应的应用

针对贵金属纳米粒子稳定性差,容易发生团聚造成催化活性低的问题,以多级孔TiO_2为载体,利用其介孔孔道限制贵金属纳米粒子团聚,采用浸渍法制备Au-Pd双金属纳米催化剂.通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)等分析手段对催化剂进行表征,结果表明金钯纳米粒子均匀地分布在TiO_2载体上,尺寸约为3~5nm.选择CO氧化反应评价催化剂活性,考察催化剂制备过程中金钯比例对催化活性的影响.结果表明,在120℃的条件下催化剂Au_1-Pd_4/TiO_2达到最高的转化率90%,这归结于双金属间的电子协同效应,金原子从钯原子上吸电子,导致钯原子缺电子,而CO分子提供电子给钯原子,提高了催化活性.