二次碳化对杂原子掺杂碳基催化剂的性能影响开题报告
2020-02-10 22:44:35
1. 研究目的与意义（文献综述）
由水和可再生能源产生的氢在未来可能会为质子交换燃料电池汽车提供燃料。然而这种燃料电池对昂贵的pt基电催化剂的依赖制约了该技术的广泛应用。pt基催化剂中大多数铂位于阴极侧，阴极通常含有比阳极多十倍的pt。尽管如此，阴极处的氧还原反应（orr）（1）仍固有地比阳极处的氢氧化反应（2）慢6个数量级。
2h2→4h 4e 阳极反应 （1）
o2 4h 4e→2h2o 阴极反应 （2）
2. 研究的基本内容与方案
本文以合成的MIL-53(Fe)为前驱体，以二次碳化为主要手段，制备了Fe-N-C催化剂。对合成的样品进行电化学活性表征和全面的物理形貌表征。对比材料性能和形貌上的差异。分析二次碳化对于非贵金属氧还原催化剂的活性和稳定性的影响。
2.1 实验材料
| 试剂 | 分子式 | 纯度 | 生产商 |
| 三氯化铁 | FeCl3·6H20 | 99.0% | 沪试 |
| N,N-二甲基甲酰胺 | C3H7NO | 99.5% | 沪试 |
| 对苯二甲酸 | C8H6O4 | 99% | Innochem |
| 甲醇 | CH4O | 99.5% | 沪试 |
| 硫酸 |
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| 氨气 |
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| 氮气 |
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2.2 实验设备
| 仪器 | 型号 | 生产商 |
| 电子天平 |
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| 离心机 |
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| 真空干燥箱 |
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| 磁力加热搅拌器 |
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| 开启式管式气氛电阻炉 |
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| 超声波清洗机 |
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| 电化学工作站 |
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2.3 催化剂制备
2.3.1 水热法制备MIL-53（Fe）
以100ml烧杯为容器，将0.946g三氯化铁（FeCl3·6H2O）和0.581g对苯二甲酸（H2BDC）溶于75.6mlN,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，室温下磁力搅拌30min,使固体完全溶解，得到黄色溶液。将混合好的溶液转移到100mlPTFE材质的水热反应釜内衬中，将反应釜密封，150℃下保温15h。冷却至室温得到橙黄色溶液和橙色沉淀。将溶液和沉淀转移到50ml离心管中，9000r/min离心5min，上清液倒入回收瓶，沉淀用适量甲醇洗至100ml烧杯中，继续磁力搅拌以洗去残留的DMF，搅拌3h后离心，沉淀继续甲醇洗涤，如此反复4次至DMF被去除。最后将沉淀转移至铝箔纸上，150℃真空烘干24h得到黄色粉末。
2.3.2 二次碳化法制备FeNC催化剂
在坩埚中称取一定量的MIL-53(Fe)，装到管式炉中，800摄氏度的碳化温度下，按以下方案进行碳化。
| 用于第一次碳化的气体 | 用于第二次碳化的气体 | 碳化温度 | 碳化时间 |
| NH3 | —— | 800℃ | NH3 3h |
| Ar | —— | 800℃ | Ar3h |
| NH3 | Ar | 800℃ | NH3 3h Ar 3h |
| Ar | NH3 | 800℃ | Ar3h NH3 3h |
2.4 催化剂形貌与结构的表征
2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
利用扫描电子显微镜研究材料的形貌和微观结构。扫描电镜能够利用二次电子信号成像来展现材料的表面形貌。
2.4.2 透射电子显微镜（TEM）
透射电子显微镜可以利用透过样品的电子束来成像，电子数在穿过样品时会发生散射，吸收，干涉和衍射，最终透过样品的电子束中包含了许多可用于成像的信息（相位，强度，周期性等）。通过TEM，能直观的看到催化剂物理形貌细节与负载其上的金属颗粒大小，形貌，分布以及与碳的位置关系。
2.4.3 X-射线衍射（XRD）
通过XRD分析催化剂中碳材料的晶体结构和金属/氮/碳化合物的结构信息。其工作原理是采用固定波长的X射线照射样品，根据布拉格定律，X射线经样品晶格发生衍射和干涉并在特点的角度上产生衍射峰。通过对衍射峰的分析能够得知样品的元素组成和晶体结构。
2.4.4 氮吸附比表面测试（BET）
碳材料的比表面积大小，孔洞大小和孔洞数量会在一定程度上影响非贵金属催化剂的性能。高比表面积能够有效提高催化剂与反应物的接触，特别是能够将活性位暴露出来。而合适的介孔与微孔能够传输反应物与反应产。因此普遍认为催化剂的比表面积越大，孔洞越多，其有效的反应活性位就越多，反应进行的速率越快。
2.4.5 X-射线光电子能谱（XPS）
本论文运用X射线光电子能谱测定催化剂中元素构成以及其中所含元素化学态和电子态。
2.5 工作电极制备
2.5.1 预处理：
在砂纸上撒上Al2O3抛光粉并用少量去离子水润湿，将玻碳电极在砂纸上抛光，超声机中用酒精清洗.
2.5.2 催化剂墨水制备:
将碳化后的材料在0.5MH2SO4中超声处理2h,搅拌1h,再60摄氏度真空干燥，电子天平称取催化剂，加入nafion和无水乙醇。超声.
2.5.3 工作电极修饰：
用进样器抽取墨水滴到预处理过的玻碳电极中心，并让其充分干燥，电极表面催化剂材料应该均匀平整。
2.6 催化剂的电化学表征
本论文所有的催化剂均在一个三电极体系的电化学工作站上进行电化学表征。使用的电解液是。。。mol/L的。。。 溶液。工作电极为涂有催化剂和nafion混合物的玻碳电极：对电极是。。。;参比电极为KCl/AgCl电极。所有测试数据会对Ag/AgCl电极进行对可逆氢电极校准，本文所有电极电位均指相对于RHE的数值。测试参数为：。。。
先测CV活化，再测OER/ORR，用K-L方程计算转移电子数，计算tafel斜率，计时电流法比较耐久性
3. 研究计划与安排
毕业设计历时15周，总体实验进度安排如下：
1-2周：完成开题报告，报备所需要药品以及实验仪器。
3-6周：完成相应目标产物的合成，总结出最优方案。
4. 参考文献（12篇以上）
[1]孙丽娜,尹作娟,张晓彤,宋丽娟,段林海.mil-53的合成和表征及储氢性能研究[j].石油化工高等学校学报,2010,23(01):39-42 46.
[2]闫增元,习海玲,袁立永.金属有机框架mil-53(fe)可见光催化还原水中u(Ⅵ)[j/ol].环境科学,2019(04):1-9[2019-03-24].https://doi.org/10.13227/j.hjkx.201809022.
[3]jaouen f, lefèvre m, dodelet j p, et al. heat-treated fe/n/c catalysts for o2electroreduction: are active sites hosted in micropores?[j]. journal ofphysical chemistry b, 2006, 110(11):5553-8.
