N1-CNT氮掺杂碳纳米管的制备及其电催化性能研究(2)

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435RDE分析24

结论26

致谢27

参考文献28
1 绪论 1.1 课题背景和意义能源与人类的生存和社会的发展息息相关。随着人类社会的进步和经济的繁荣，人们对能源的需求量日益增加，现存的煤和石油等能源已经远不能满足目前的需求。同时，化石燃料的大量使用是导致空气中 CO2含量大幅增加的主要因素。据专家分析，到 2100年，全国各地区的 CO2的排放浓度将达到 540 ppmv~970 ppmv[1]。不可再生能源的日趋短缺和生态平衡的破坏已经严重危及人们的日常工作和生活。因此，我们必须寻找无污染、可再生、清洁高效的新能源体系，解决能源危机同时缓解环境污染的压力。燃料电池是一种新能源技术，因其拥有能量转换效率高、对生态环境无害、可连续大功率放电等优点而受到了全世界的瞩目。燃料电池用途广泛，能够为所有需要电能的设备提供清洁、高效、可靠的电能，因此已经成为解决能源问题首选的动力能源[2]。其中，微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, 简称MFC）作为燃料电池的一个新的分支，能够利用微生物的降解功能，将有机物中的生物质能转化为电能，为废水处理、海水淡化、重金属回收等各个领域的问题提供新的更加环保的解决路径。近年来，关于燃料电池的研究已经取得了很大突破，但由于其制作成本昂贵的瓶颈使其仍旧不能大范围的在商业上应用。燃料电池的制作成本昂贵主要体现在阴极催化剂的制备上，到目前为止，催化性能最好的阴极催化剂仍然是含铂的贵金属催化剂，但是由于铂价格昂贵、资源匮乏，所以若以性能最好的 Pt/C 作为电催化剂，则仅阴极催化剂的价格就占整个电池造价的一半以上[3]。因此，必须寻找具有高电催化活性并且具有耐久性和稳定性的廉价非贵金属催化剂，才能降低电池系统的成本，促进其更广泛的大规模应用。
碳纳米管是一维纳米材料，它的优点是具有纤维中空结构、较高的石墨化程度、较大的比表面积和较高的电子迁移率，能作为一种高效的导电材料。它不仅可以用作催化剂载体行使导电网络的功能，其本身也能作为非金属催化剂取代昂贵的贵金属催化剂[4-6]。但是碳纳米管的电学性能与碳纳米管的螺旋角、形态、直径以及缺陷等在制备过程中难以精确调控的因素有关，由于纯碳纳米管存在着分散性、亲水性和选择吸附性差等缺点，使其难以直接用于作为电催化剂使用[7-8]。大量研究表明，对碳纳米管进行异质元素的掺杂可以有效控制 CNT的晶体结构和电子结构，使其产生优于纯碳纳米管的物理化学性质和对 ORR 的电催化性能[9-15]。这一发现让人们走出 CNT手性与直径的不可控的困境，把目光投向了掺杂碳纳米管
1.2 国内外研究现状总结目前国内外研究学者对氮掺杂碳纳米管（N-CNT）的探索，发现传统的氮掺杂碳纳米管制备方式主要有两种：一种原位法，即在 CNT的生长过程中直接进行氮（N）掺杂；另一种是后处理法，即对已合成的 CNT进行表面修饰等后处理以实现 N掺杂[16-19]。原位法是首先制备含氮前驱体，再将前驱体作为原料通过各种方式处理得到 N-CNT的方法，与单纯的 CNT生长过程相同。根据处理方式的不同，原位法可主要分为以下几种：
（1）电弧放电法：是最早应用于制备 N-CNT 的方法，生产出的主要是单壁 CNT。天津大学的李玲等通过填充法制得含有三聚氰胺对的阳极石墨棒，再将阳极棒与不锈钢片的共蒸发制备了长竹节状的氮掺杂碳纳米管[20]；
（2）激光蒸发法：是一种较为简便的方法，制备出的也是单壁碳纳米管。其原理是利用高能激光束蒸发碳和催化剂，在催化剂的作用下碳原子重组形成碳纳米管并随着载气的流动沉积于收集器上。激光蒸发法制备的单壁碳纳米管具有纯度高的优点，但由于激光器设备价格昂贵，生产成本过高，而使激光蒸发法无法得到大规模推广应用。2008 年，Lin 等就将激光蒸发法应用到 CNT的氮掺杂中，使用激光器在N2气氛中蒸发C:Ni/Y 靶制备出了氮掺杂单壁碳纳米管，测得氮元素的掺杂浓度大约为 l at.%[21]；