改性石墨烯的制备及电化学性能研究

利用改进的Hummers方法制备了氧化石墨烯,通过原位化学还原与水热法分别合成镀镍石墨烯与氮掺杂石墨烯材料。通过扫描电镜、透射电镜、红外光谱、XRD等测试方法对样品的形貌结构进行表征,用CHI760电化学工作站研究了样品的电化学性能,两种材料均显示出良好的电化学活性。镀镍石墨烯在较低电压即可对醇进行催化氧化;尿素和氨水都能对氧化石墨烯进行有效地还原并对其完成氮掺杂,以尿素为氮源的掺杂石墨烯显示出较高的CCV比电容和良好的稳定性,而以氨水为氮源的氮掺杂石墨烯具有优良的CGCD电容性能。     

氮掺杂石墨烯水凝胶薄膜制备及其氧还原催化性能研究

以氧化石墨烯分散液为前驱体、尿素为主要氮源,经水热还原和真空抽滤后制得不同氧还原催化活性的氮掺杂石墨烯水凝胶薄膜。采用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、激光拉曼光谱仪、循环伏安等手段对材料的形貌、结构和氧还原电催化性能进行表征。结果显示:制得的氮掺杂石墨烯水凝胶薄膜的含氮量在2.37~4.22%之间,其中氮元素主要以吡啶型和吡咯型形式存在。当氮含量为4.22%时,氮掺杂石墨烯水凝胶薄膜具有最小的氧还原起始电位,约为0.15 V,以及最大的极限电流密度,达2.75 m A/cm~2,显示出较好的氧还原催化性能。     

氧化石墨烯原位合成VC及其负载Pt氧还原催化性能

为了开发高性能燃料电池催化剂,研究以氧化石墨烯为载体和碳源合成VC及其负载Pt催化剂的合成、结构和催化氧还原性能。结果表明:氧化石墨烯可以作为碳源在氢气气氛下与V_2O_3原位合成VC,同时在氨气气氛下热处理还可以对其进行氮的掺杂,氮掺杂将其催化氧还原的起始电势提高了0.15V。石墨烯与氮掺杂VC负载Pt具有良好的催化氧还原性能,其峰值电流、起始电势以及循环寿命都超过了传统的Pt-C催化剂。     

表面铁/氮掺杂介孔石墨烯气凝胶提升微生物燃料电池阳极性能的研究

以硫酸亚铁铵为铁源和氮源,利用水热反应和冷冻干燥法制备了铁/氮掺杂的介孔还原氧化石墨烯气凝胶(FNGA)。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、比表面分析仪对材料结构进行表征;采用循环伏安法和交流阻抗法对其电化学性能进行研究。结果表明,与直接水热还原得到的石墨烯气凝胶相比较,铁/氮掺杂的石墨烯气凝胶不仅具有孔径在10~20μm之间的三维多孔结构,而且还具有10nm以下的介孔结构并且具有较高的比表面积,当其作为电极材料时可以为电解液中的小分子氧化还原反应提供更多反应位点,将其作为阳极材料应用于希瓦氏菌微生物燃料电池中后,显著提高了电池的放电功率密度与电流密度,电池的最大功率密度可达到10.94 W/m2。为开发低成本高效的微生物燃料电极阳极材料提供了新的思路。     

Fe-PPy-TsOH/C用作质子交换膜燃料电池氧电极催化剂的研究

氧电极催化剂是制约质子交换膜燃料电池(PEMFCs)发展和应用的一个重要因素, 开发低价高效的非贵金属催化剂对PEMFCs来说已成为当务之急。本研究选择氮掺杂的碳载过渡金属(M-N/C)类催化剂为研究对象, 以铁盐作为金属前驱体, BP2000为碳源, 聚吡咯(PPy)为氮源, 对甲基苯磺酸(TsOH)为掺杂剂, 合成了非贵金属催化剂Fe-PPy-TsOH/C, 探究了不同的热处理温度及钴原子的掺杂对其氧还原催化性能的影响。研究结果表明: 800℃制备的Fe-PPy-TsOH/C催化剂因结晶度高、颗粒大小适中且分布均匀而具有最佳的氧还原催化性能; 一定量的钴原子取代可以改善Fe-PPy-TsOH/C的氧还原催化性能, 当钴的掺杂量为33.33%时(铁钴原子比为2︰1), 催化剂的性能达到最优。     

氮掺杂活性炭及其载铂催化剂氧还原催化活性

采用化学原位聚合法制备聚吡咯/活性炭(AC)复合物,在惰性气氛进行热处理,制备了氮掺杂活性炭(NAC)。利用化学浸渍还原法制备AC和NAC载铂催化剂,并对比分析他们的氧还原催化性能。氮掺杂处理明显降低了活性炭的比表面积,但因其改善了活性炭水分散性和表面活性,铂在NAC表面沉积和分布较在AC载体表面更均匀。尤其经900℃炭化处理获得的氮掺杂活性炭NAC900,源于其微孔的高比表面积和含氮官能团共同作用,使铂粒子多以尺寸小于5 nm的粒子均匀沉积分布于载体表面,且铂担载量高。循环伏安曲线分析表明,与活性炭载铂催化剂(Pt-AC)相比,氮掺杂活性炭载铂催化剂(Pt-NAC900)的氧还原峰电位更正,氧还原峰电流为前者两倍,且峰电流随循环次数的衰减更低。结果表明,通过对传统炭材料活性炭进行氮掺杂处理,能够增强其载铂催化剂氧还原催化性能。     

S/N共掺杂石墨烯的制备及其电催化性能

采用一步水热法制备了S/N共掺杂石墨烯催化剂材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱、红外光谱以及X射线衍射仪(XRD)对催化剂物理形貌、组成、物相等进行了分析,并利用电化学分析方法对催化剂的电催化性能进行了研究。通过不同的物理表征证明S和N成功地掺杂入石墨烯晶格,共掺杂石墨烯具有典型的石墨烯形貌。掺杂石墨烯的高电催化活性是源于对石墨烯进行S和N的掺杂后仍然具有高比表面积及石墨烯本身所特有的一些性质。该掺杂石墨烯在0.1 mol/L的KOH溶液中对氧进行催化还原时,无论是起始电位、半波电位、还是极限电流密度,都可与商业生产的贵金属催化剂相媲美,说明S/N共掺杂石墨烯在氧还原催化活性上可被用来替代当前所使用的贵金属催化剂。     

三维石墨烯基B-N-Fe/Co-G材料的制备及其氧还原催化性能研究

采用脲、硼酸、硝酸铁、硝酸钴分别作为N、B、Fe、Co源,与GO(氧化石墨烯)通过快速冷冻干燥与热解法,制得了三维石墨烯基B-N-Fe/Co-G催化材料,并对其结构和性能进行了测试和表征,研究其氧还原的活性物质与活性点。透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)及X射线光电子能谱(XPS)结果显示,所制得掺杂石墨烯表面褶皱呈三维孔洞结构,掺杂原子N、B、Fe、Co均匀掺杂于石墨烯中。通过循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)等手段对三维石墨烯基B-N-Fe/Co-G催化材料进行电化学性能测试,结果表明:B-N-Fe/Co-G在0.1 mol/L的 KOH碱性电解质中有较高的氧还原(ORR)催化活性,起始电位在1.0 V左右,为4电子转移,相比质量分数20%的商用Pt/C催化剂有更好的电化学稳定性。     

氮掺杂石墨烯的制备及其电催化氧气还原性能

通过改良Hummers法制备氧化石墨(Graphite oxide,GO),采用爆炸辅助还原法将GO还原剥离并原位掺杂得到氮掺杂石墨烯(Nitrogen-doped graphene,N-RGO)。采用TEM、SEM、FI-IR、XPS、XRD及Raman等分析手段对N-RGO的形貌、组成以及结构进行了表征,利用旋转环盘电极技术测试了其电催化氧气还原活性。TEM和SEM结果表明,爆炸条件下GO被很好地剥离开来,得到只有几层厚度的石墨烯;FI-IR及XPS结果表明,GO中大部分含氧官能团被脱除,C/O原子比达到26.2,是目前所得GO还原程度非常高的方法之一,且氮元素成功掺杂进石墨烯晶格中,掺杂氮的原子质量分数约为2.11%;电化学测试结果显示,氧气还原的极限扩散电流由非氮掺杂石墨烯(Reduced graphene oxide,RGO)的0.24mA提高到N-RGO的0.49 mA,尽管爆炸辅助还原得到的RGO对氧气还原也显示出较好的催化活性,但掺杂之后的N-RGO具有更高的催化活性。     

掺氮石墨烯的制备及其ORR催化性能的研究

由于掺氮石墨烯具有优异的电化学性能,受到研究者的关注,然而在石墨烯掺氮的方法中大部分（热解法、烧结法）需要过高的温度（500-900℃）和较长的反应时间（2-3 h）[1-3]。采用微波等离子体对氧化石墨进行还原改性制备掺氮石墨烯,在低功率条件下反应时间只需20 min就得到了催化活性良好的掺氮石墨烯。掺氮石墨烯的表征技术主要包括Raman和TEM,并使用电化学工作站对掺氮石墨烯进行ORR催化性能评估。