氮化碳改性N、S共掺杂分级多孔中空碳纳米管的制备及氧还原性能

编号：NMJS09657

篇名：氮化碳改性N、S共掺杂分级多孔中空碳纳米管的制备及氧还原性能

作者：张景强

关键词： 聚苯胺衍生物; 分级多孔碳纳米管; 杂原子掺杂; ORR; 锌空电池;

机构： 湖南理工学院

摘要： 锌-空气电池（ZABs）作为新型储能装置,其性能提升关键在于高效氧还原反应（ORR）催化剂的开发。非金属碳基纳米催化剂在ORR研究领域受到了广泛关注。然而,实现碳纳米材料微结构的精准调控以及杂原子掺杂位点的可控构筑,仍是制约该研究领域发展的主要技术壁垒。当前研究的核心在于如何构建兼具高活性、优异稳定性及成本效益的非金属碳基催化剂。 本文采用新颖的软模板策略,以S元素分布均匀的聚苯胺衍生碳纳米管（PANI）为前驱体,通过创新性结构调控与杂原子协同掺杂策略,设计并制备了系列具有独特形貌和优异氧还原性能的高效ORR催化剂。本论文的具体研究内容如下: （1）针对PANI氮含量不足的问题,引入三聚氰胺作为氮补充剂,通过高温热解制备氮化碳改性的N、S共掺杂中空碳纳米管催化剂（NS-CNTs-x,x表示三聚氰胺与PANI质量比）。实验表明,N、S杂原子通过电子结构协同效应显著提升了催化活性。NS-CNTs-2催化剂的半波电位E1/2=0.83 V。NS-CNTs-2组装液态ZAB电池,功率密度为152 m W cm-2,比容量为661 m Ah g-1。 （2）为改善传统PANI碳化管壁过厚的缺陷,系统探索锌盐添加量对材料形貌结构的影响,成功制备得到N、S共掺杂分级多孔中空碳纳米管催化剂(S-HPCNTs-x,x为Zn（NO3）2·6H2O添加量,分别为0.1、0.3和0.5 mmol)。研究表明,S-HPCNTs-0.3催化剂具有高密度微-介孔复合结构,表现出高效的ORR性能(半波电位E1/2=0.86 V)。S-HPCNTs-0.3组装液态ZAB电池,功率密度为185 m W cm-2,比容量为806 m Ah g-1。 （3）深入探索碳纳米管材料结构控制和杂原子掺杂的适宜性,通过氮补充剂与锌盐的协同作用,进一步构筑氮化碳改性N、S共掺杂分级多孔中空碳纳米管催化剂(NS-HPCNTs-x,x为Zn（NO3）2·6H2O添加量,分别为0.1、0.3和0.5 mmol)。研究表明,中空碳纳米管高密度微-介孔复合结构及杂原子共掺杂协同作用使NS-HPCNTs-0.3具有优异的ORR性能(半波电位E1/2=0.90 V)。NS-HPCNTs-0.3在组装液态ZAB电池中表现出了高功率密度(202 m W cm-2)和高比容量(835 m Ah g-1),展现出优异的综合性能。