摘 要

微米/纳米级二氧化硅微球易于合成，成本较低，且能较方便的实现尺寸及其分布的控制。因此，二氧化硅微球被广泛的用作硬模板剂用于不同纳米结构的合成。本文的主要目的为合成具有不同尺寸的二氧化硅微球，并以其为模板合成具有大孔结构的石墨碳材料。通过改良的Stober法和氨基酸辅助法分别合成出了平均粒径为22 nm，40 nm, 300 nm的硅球。利用多酚类物质与过渡金属离子的配合作用，在所制备的二氧化硅微球的表面修饰得到了配合物层。将修饰后的产物在惰性气体条件下进行高温碳化，最终得到呈疏松的孔状固体结构。将得到的固体材料进行氢氟酸浸泡，除去其中的硅球模板，在经过离心出沉淀、烘干之后得到了具有多孔结构的石墨碳材料。

关键词：碳材料；二氧化硅纳米微球；模板；自组装

Abstract

Micro/nano sized silica spheres can be easily synthesized with low cost raw materials. Besides, the size distribution of the silica spheres can be realized easily. Due to these advantages, silica spheres are widely used as templates for the preparation of different nanostructures. The goal of this thesis is to synthesis silica spheres with defined sizes and the use of the silica template for the preparation of graphite carbon with macropores. Modified stober method and an amino acid assisted method are used to synthesize silica sphere of different sizes (22nm, 40 nm, 300 nm). The as-obtained silica spheres are functionalized with a layer of tannic-Fe complex. Subsequently, the functionalized silica spheres are carbonized to yield graphite carbon. A HF acid leaching process is then applied to remove the silica template in the composite structure. After centrifugation and drying, highly porous graphite carbon materials are obtained.

Key Words: Carbon materials; Silica microspheres; template；self-assembly

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2燃料电池 2

1.2.1燃料电池简介 2

1.2.2国内燃料电池发展历程 2

1.2.3 国际燃料电池的起源 4

1.3燃料电池原理 6

1.4.燃料电池的缺陷 6

1.5.燃料电池的分类 7

1.6燃料电池氧还原过程 7

1.6.1 氧还原机理 7

2.1实验方案步骤 10

2.2实验所用材料和试剂 11

2.2.1 主要原料和次要原料 11

2.3主要仪器设备 12

2.3.1材料合成设备 12

2.4实验方法 12

2.4.1大直径二氧化硅球制备^[14] 12

2.4.2 100nm 以下硅球合成方法 13

2.5硅球表面的修饰 14

第三章 结果与分析 15

3.1合成硅球的形貌大小 15

3.2 硅球的表面修饰情况 24

3.3热重分析 27

第四章结论与展望 28

参考文献 29

致谢 30

第一章 绪论

1.1研究背景

随着社会的进步与发展，伴随而来的是能源载体的更新换代，由于大多数传统的能源载体衍生出的问题越来越多，燃烧废气带来的环境问题越来越引起国际的广泛关注。众所周知的传统的能源载体有煤、石油、天然气等不可再生的化石燃料，它们的燃烧会产生温室气体，会带来的全球变暖和极地地区海平面上升等问题，除此之外，它们的燃烧还会产生大量的硫氮的氧化物，也会带来空气污染、酸雨和雾霾等问题，空气中87%的硫氮氧化物均来自化石燃料的燃烧。因此限制传统化石燃料的使用时势在必行的趋势与措施，因此能源载体的更新换代亟待解决，当下人们的任务是，务必要寻找可以代替传统燃料为人们提供能源的能源载体，太阳能、地热能、潮汐能、燃料电池化学能等清洁能源走进人们的视野当中，因此研制和开发绿色可再生的清洁能源成为了科学家们的研究热点和重点。各个国家把能源开发计划列为国防计划的重中之重，而对于燃料电池的开发和研制更是国家材料领域的研究重点。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种独特的能源转换装置，这个装置可以将燃料和氧化剂中的化学能持续稳定而且直接地转换成电能，除此之外，燃料电池装置还具有结构简单，能量转换效能高，快速启动，无污染等优点^[1]，被视为是 21 世纪最理想的发电装置之一，在航空航天技术领域、移动电子设备中均具有广泛的应用前景，然而，燃料电池负极的氧还原过程较为缓慢，因此开发出高效氧还原负极材料是当下材料学科技研究的重点与热点.当前质子交换膜燃料电池的商业化还存在许许多多的障碍，其中，阻止低温燃料电池实现商业化的最大阻碍就是组装电池装置的高成本，造成这种燃料电池组装的高成本的最根本原因是：组装电池材料中包括使用昂贵的金属铂金作为低温燃料电池的阴、阳极电催化剂；按照当前技术的发展，所使用的铂-碳电极的成本占了整个电池成本的一半以上。尤其是阴极，因为阴极的氧还原反应（Oxygen reduction reaction, ORR）速率远远低于阳极燃料的氧化反应的速率，因此我们需要找到比阳极材料高出很多倍的的催化剂去加速阴极的氧还原反应速率，寻找和开发展廉价的非贵金属催化剂来代替铂碳作为电极催化剂，找到这种材料是我们当前解决燃料电池商业化障碍的最重要和最有效的手段。

1.2燃料电池

1.2.1燃料电池简介

燃料电池(Fuel-Cell)是一种能量转换装置，它可以把储存在燃料物质与氧化剂中的化学能形式直接转化为电能,是一种绿色的能源技术。燃料和氧气分别被送进燃料电池阴阳极，经过一系列的阴、阳极反应，使电子的发生定向移动产生电流，电能就这样被奇妙地制造出来。

虽然从外表上它只看有正、负极和电解质等，和市面上销售的蓄电池极为相似，但是在本质上，准确的说，它却不是一个蓄电池，因为它不能做到“储电”，而是源源不断的产生电能，更好的概括它是一个小型“发电厂”。但是，它需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发电，三个条件缺一不可。

1.2.2国内燃料电池发展历程

在中国，和燃料电池有关的研究开始相对于国外来讲是比较晚的，最早和燃料电池有关的研究记录开始于1958年，当时燃料电池研究的目的是支持我国的航天事业的发展，当时的原电子工业部天津电源研究所机构从真正意义上开展了燃料电池的研究^[2]。在70年代中期，在中国航天事业的大力发展大前提下，对燃料电池的需求更为亟待解决，在这个背景的影响下，中国对燃料电池领域的研究热度开始爆发性的增高，各大机构纷纷展开和发表与燃料电池的研究项目。