( 电化学 年 材料制备 目标产品的制备称取 煤沥青 在适量的甲苯中使其充分溶解 分别称取 纳米 和 充分研磨后与煤沥青的甲苯溶液混合均匀 将混合液中的溶剂蒸干 得到固体混合物 充分磨细后转移至瓷舟 在! 保护下 高温 "" # $ 进行热处理 % 将热处理后的产品用 "& 的 $' 水溶液洗涤多次

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1 第 ## 卷第 # 期 # 年 月 电化学 :. +.+!*!+, ;* / - ## : # <= # # >-98= 93 # # '!" #$% ' # # ' ' & -98= 93? 7679) 纳米 为模板的三维石墨烯类多孔碳的制备及其催化氧还原性能研究 孙崇云 李忠芳 卢雪伟 钟西站 刘玉荣 山东理工大学化学工程学院 山东淄博 摘要 以煤焦油沥青为碳源 纳米 为模板制备了一种三维石墨烯类多孔碳材料 通过测试氧还原性能 确定了最佳制备工艺 反应物煤沥青 纳米 的质量配比为 热解温度为! 扫描电镜测试结果表明 制得的产品具有明显的孔结构且分布均匀 透射电镜测试结果进一步表明 产品具有泡沫状的多孔结构 高分辨透射电子显微镜照片表明 该产品具有多层的三维石墨烯结构 " 射线衍射数据表明 在 #$ 位置出现的衍射峰是多层石墨烯结构 # 位置的衍射峰说明产品具有一定程度的石墨化 由拉曼光谱结果计算 % 与 #& 的比值表明产品为多层石墨烯结构 " 射线光电子能谱分析检测到的! 元素含量约为 ' 主要包含!! 键 图谱中未发现铁元素的存在 证明纳米 模板已被洗净 根据比表面积测定可知 多孔碳的比表面积为 # # 孔径集中分布在 ( ) 这与 *+, 测试得到的结果一致 在 -. 中进行催化氧还原性能测试 起始还原电位为 /01 电子转移数为 测试结果表明 制得的三维石墨烯类多孔碳具有良好的催化氧还原性能 关键词 三维石墨烯类多孔碳 煤沥青 模板 催化氧还原性能中图分类号 文献标识码 随着人类社会的发展 能源危机加剧 引发了各种环境问题 因而可持续发展的新能源受到世界各国的重视 #A 阔发展前景的新一代电池 与传统电池相比 此类电池具有能量密度高 容量大 安全 无污染等优点 但阴极的氧还原反应是制约其发展的关键因素 A 传统的阴极催化剂为 B8 系催化剂 但由于 B8 资源短缺且价格昂贵 A 受限 因此 非 B8 系阴极催化剂成为燃料电池领域的主要的研究方向 过渡金属氧化物催化剂 A A 催化剂 金属氮碳原子簇类 A 主要包含石墨烯 纳米碳管 多孔碳等 与其它碳材料相比 石墨烯具有更高的机械强度 更大的理论比表面积 #A 具有很好的热导和电导特性 但石墨烯的片状结构容易堆积 从而形成石墨 A 备和性能研究成为关注的热点 煤沥青的主要成分为多环 稠环芳烃及其衍生物 作为碳源在热解过程中易形成石墨烯结构 以煤沥青作为碳源 使用合适的模板可以制备具有三维石墨烯结构的碳材料 这种碳材料的电子传递和物质运输能力均会提升 从而提高氧还原反应的氧还原性能 本文采用硬模板法 使用煤沥青为碳源 纳米 为模板 设计制备了具有三维石墨烯结构的多孔碳材料 通过控制模板加入量以获得最大石墨化的产品 将最佳工艺条件下得到的产品 应用扫描电镜 ;+, 透射电镜 *+," 射线衍射 " &" 射线光电子能谱 "B; 拉曼光谱 ) 等测试方法进行表征 实验 ' 材料与试剂实验使用的煤沥青购于煤焦油厂 纳米氢氧化铁 氢氧化钾 甲苯等试剂均为商业购买所得 纯度均为分析纯 收稿日期 # # 修订日期 # 通讯作者 *- #' #$ ) 国家自然科学基金 : # #' : # ' $ 和化学工程国家重点实验室 天津大学 开放课题 : ;.!3+ 资助

2 ( 电化学 年 材料制备 目标产品的制备称取 煤沥青 在适量的甲苯中使其充分溶解 分别称取 纳米 和 充分研磨后与煤沥青的甲苯溶液混合均匀 将混合液中的溶剂蒸干 得到固体混合物 充分磨细后转移至瓷舟 在! 保护下 高温 "" # $ 进行热处理 % 将热处理后的产品用 "& 的 $' 水溶液洗涤多次 以除去产品中的 模板 水洗至中性 抽滤 烘干 得到目标产品 改变煤沥青 纳米 与 之间的质量配比 使用不同的温度热处理 可得不同制备条件下的产品 工作电极的制备玻碳电极的预处理 玻碳电极直径为 使用之前需要经过预处理 首先用金相砂纸打磨电极表面 磨光滑后 在放有三氧化二铝抛光粉 " 的布上反复打磨抛光 用去离子水冲洗干净后在无水乙醇中超声波震荡 " 烘干待用 修饰电极的制备 称取 "% 多孔碳 充分研细后加入试管中 然后移取 ("%) 超纯水 "%)% & 的 *+, # 乳液和 "%) 无水乙醇加入混合 超声分散 %-% 用微量注射器取 %) 液体 慢慢地滴在玻碳电极上 使其均匀盖满整个电极 然后于 "% # $ 烘箱中无风烘干 备用 表征及测试使用氮气吸附仪 美国. /!#! 0 /1 公司 "" 型 对制得的材料进行表征 根据 数据计算材料的比表面积 绘制材料的孔径分布曲线 使用 射线粉末衍射仪 德国!23! 公司 / 表征所得多孔碳材料的晶型及结晶度 $2 射线源 7" 管电流和电压分别为 "38 和 扫描速率为 # 9 衍射角 为 # :" # 使用扫描电子显微镜 荷兰 ; 公司! # 型 将样品粘在导电双面胶上 再粘在底座上 进行喷金处理后进行测试 使用日本生产的 )( 型透射电子显微镜 测试电压为 38 样品在乙醇中分散 超声震荡 ( 均匀分散于铜网上进行观察 使用光电子能谱仪 美国!3 '! 公司 ;9 $ 型 对样品中各种元素的相对含量进行分析 靶材为. 功率为 电压为 ( 38 真空度为 ( ( 9 + 使用拉曼光谱仪 ; 公司 )+. 6#'20 # 型 检测产品结构 激发波长为 到样品的激光功率约为 催化氧还原性能测试 使用 $ ;$ 电化学工作站 在 饱和的 ( #') 9( 溶液中采用线性扫描法进行测试 三电极体系以修饰的玻碳电极作为工作电极 铂丝电极为作对电极 作为参比电极 % 扫描窗口 为 9%:% %861% 扫描速率为 % 81 9( 结果与讨论 形貌分析 图 ( 为制得产品放大 倍的. 照片 % 从图中可以看出 所得多孔碳材料具有明显的孔结构 且分布比较均匀 孔径大小基本一致 % 这种均匀分布的孔结构有利于增强氧气的传递 从而提高催化氧还原性能 % 图 (%% 产品的. 照片 (%%.% +%#,%0-%!#52/0 形貌分析 采用透射电镜进一步表征得到的产品 结果如图 所示 % 从图 中可以看到均匀分布的规则的泡沫状多孔结构 孔径大致分布在 % % 在制备多孔碳的过程中 煤沥青均匀地包裹在 颗粒的表面 形成薄薄的一层膜 % 由于煤沥青的主要成分为多环 稠环芳烃及其衍生物 所以经过高温炭化后发生了一定程度的石墨化 形成了稳定的三维石墨结构 % 后期处理过程中 用稀盐酸溶液将模板洗净 得到均匀的具有三维石墨烯结构的多孔碳 % 图 为高倍透射电镜照片 由图中可以看出明显的石墨烯条纹 产品具有明显的多层石墨烯结构 % 产品的多孔结构有利于氧气的传质性能提高 石墨烯结构则有利于电子的转移 因此 该碳材料可以提高氧还原反应的氧还原性能

3 第 期 孙崇云等 纳米 为模板的三维石墨烯类多孔碳的制备及其催化氧还原性能研究 ' 图 ( 产品的 /. 照片 - 产品的 /. 照片 30 ( /. 3% $9: - /. 3% $9 物相分析图 为产品的 谱图 由图 可以看出 在 的位置有一个明显的衍射峰 表明产品具有 石墨烯结构! " 位置的峰则表明产品中的石墨 #! 烯是多层的 发生了一定程度的石墨化 谱图中未出现 的衍射峰 表明纳米 模板已被洗净 图 产品的 谱图 $ ;39 4 9% 49 产品的拉曼光谱分析图 " 为产品的拉曼光谱谱图 从图 " 中可以看出 在 # $% & 和 ' ' $% & 处存在两个强吸收峰 分别为 峰和 峰 峰表示石墨烯的结构缺陷 峰表示 碳原子的面内振动 在 ' $% & 位置的峰为 峰 峰表示碳原子的层间堆垛! 方式 与 的比值为 " ' 表明实验制得的产品 &! 为多层石墨烯 吸附脱附等温线及孔径分布曲线采用氮吸附法测定产品的孔径分布和比表面 图 " 产品的拉曼光谱 30 " 4%41 $968% $ ;39 4 9% 49 积 吸附 脱附曲线和孔径分布曲线如图 ' 所示 由图 '( 可以看出 产品的氮吸附脱附曲线为典型的 )* 型 伴随 磁滞环 表明产品是一种多孔级的结构 在相对压力 + 为, ' 的低压区 产品吸附脱附曲线上升迅速 表明产品中存在较多微孔结构 这些微孔可能是在制备过程中由纳米 颗粒之间的空隙造成的 而在相对压力 + 为 ', 的压力区时 氮气的吸附量会逐渐上升 并且出现了磁滞环现象 表明得到的碳材料中存在介孔结构 这与纳米 颗粒模板本身的粒径有关 在相对压力 + 为 ', # 时 又出现了一个比较大的磁滞环 会伴随着快速的毛细管凝聚现象 这种现象的产生归因于所得的材料中大孔结构的存在 同时 根据 -./ 计算可知 产品的比表面积为 " % 0 & 由图 '- 孔径分布曲线可以看出 产品的孔径分布主要集中在, " 1% 与 /. 的结果一致 产品的多孔级结构和较高的比表面积有利于氧气传递 提高反应效率 从而获得高的催化氧还原性能 分析 采用 进行元素分析 结果如图所示 图 ( 为纳米 模板得到的产品的全谱 图中显示检测到的 元素含量为 # 且未检测到铁元素的存在 表明纳米 模板已被洗净 图 - 为产品的 谱图 由图 - 可知 产品中存在三种形式的碳的吸收峰 " * 为 键的吸收峰 ' ' * 和 # * 分别为 和 2 键的吸收峰! 产品在碱性环境下的催化氧还原活性

4 电化学 年 图 产品的氮气吸附脱附等温线 和孔径分布曲线!"#$%& #'! "#$%& #' "#& $ '!%#$ "! "&$ (& #' )($* #+ %$#!()& 图 产品的,-. 谱图 产品全谱 产品的 /" 谱图,-. "% )&$ #+ %$#!()&,-. "($* 0 "% )&$( 1 &&! /" "% )&$( 为了测定所制备的产品的催化氧还原性能 采用旋转圆盘电极 技术 在 $ ' 不同转速下 通过 技术测定得到不同转速下的极化曲线 氧还原反应的起始还原电位和极限电流密度均可以通过极化曲线可以得出 反应物配比对产品的催化性能的影响不同配比的反应物在 # / 热解得到的碳材料的催化氧还原结果如图 所示 由图 可知 反应物质量配比分别为 时 产品的催化氧还原起始还原电位分别是 *" 可知反应物配比为 2 23 时 产品的起始还原电位最大 为 5 *" 热解温度对产品的催化性能的影响反应物配比为 2 23 时 热解温度对产品的催化氧还原性能的影响结果如图 所示 由图 可 图 不同反应物质量配比的产品的极化曲线 -#9 $ & #')($* "#+%$#!()&"('! $! ++ $ '& "" $ & #" 知 热解温度分别为 4 # / 时 制得的产品的氧还原起始还原电位分别为

5 第 期 孙崇云等 纳米 为模板的三维石墨烯类多孔碳的制备及其催化氧还原性能研究 '"' 图 不同制备温度下产品的极化曲线,- 2,3 / * *3 4/ /3 -,-,3 / 3 -,34- 可知在! 下热解得到的产品的起始还原电位最大 为 综上可知 在质量配比为 "##$ 热解温度为! 条件下得到的产品的催化氧还原性能最佳 最佳制备工艺所得产品的催化氧还原性能将最佳制备工艺下得到的产品三维石墨烯多孔碳作为催化剂 测试其催化氧还原性能 图 %& 是催化剂在 饱和的 ' ' 溶液的催化氧还原极化曲线 由图 %& 可知 随着转速的增加 极限电流密度逐渐增大 该催化剂的催化氧还原起始还原电位为 由图 %& 中数据可以得到 曲线 结果如图 % 所示 反应的电子转移数可以由 曲线的斜率利用 方程求得 方程如下 ' ( ' )' ( ' )' ' ' ( " ' " ( 其中 为测试的电流密度 是反应物种在电极表面反应的动力学电流 是反应物种受扩散控制的电极反应的极限电流密度 ' 为角速度 ( 为线性旋转速度 * ' 是氧气在 ' ' 溶液中的传质系数 ' 是每摩尔反应物种的转移电子数 为法拉第常数 ( %"$+! ' * 为 +! 时氧气在 ' ' 溶液中的体积浓度 * ' 为电解质的运动粘度 为电子传递速率常数 * ' 根据极化曲线 结合 方程计算可得催化剂催化氧还原反应的电子转移数为 + $ 说明该催化剂催化氧气的还原反应基本上是 $ 反应 催化剂具有较好的选择性 $ 不同碳材料的催化氧还原性能对三维石墨烯多孔碳 碳黑!,-. /,*0 和多壁纳米碳管 1! 不同碳材料的催化氧还原性能进行了测试 结果如图 ' 所示 由图 ' 可知 碳黑 多壁纳米碳管和三维石墨烯多孔碳都具有氧还原性能 起始氧还原电位分别是 '"% '+ 和 很明显 三维石墨烯多孔碳催化性能优于前两者 三维石墨烯多孔碳具有三维多层石墨烯结构 在孔的边缘处及孔内由于大量石墨烯边沿或皱褶的存在 从而产生了很多的缺陷 表面能高 该处的电子云密度与其他位置的不同 形成了活性位点 从而使三维石墨烯具有催化活性 与三维石墨烯多孔碳相比 碳黑为无定型碳 具有少量的缺陷 活性位点较少 因此氧还原活性比三维石墨烯多孔碳差 '"% 多壁纳米碳管中的缺陷比碳黑多 但仍少于三维石墨烯多孔碳 因此其氧还原性能比碳黑稍好一些 但比三维石墨烯多孔碳的催化性能差 '+ 图 % 三维石墨烯多孔碳的极化曲线 & 和 曲线 % 7,- 2,3 / *4- &,/ , - 4 *,-. /

6 电化学 年 图 碳黑 三维石墨烯多孔碳和多壁纳米碳管的催化氧还原性能曲线! "#$%&' # #$ "# $ (# )*'"'# ) % #$ "#"+#,-./0 结论 以煤沥青为碳源 采用硬模板法 以纳米 '1 为模板成功得到了一种具有三维的多层石墨烯结构的碳材料 测试氧还原性能确定产品制备的最佳工艺条件为 反应物质量配比为 2 热处理温度为 #. # 利用 34,04, 56(5 3 和 67" 等测试方法表征 表明所制得的产品为多层 具有泡沫状的三维石墨烯结构碳材料 # 最佳制备条件下得到的产品 在碱性条件下测试氧还原性能 起始还原电位为 #8#9& # : 电子转移数为 ; 表明制得的三维石墨烯结构多孔碳具有良好的催化氧还原性能 参考文献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

7 第 期 孙崇云等 纳米 为模板的三维石墨烯类多孔碳的制备及其催化氧还原性能研究 吴娟霞 徐华!"#$% 张锦 & '" # # $ ( )#*#$ +, + - $ %,# "$ &. # /" * # 0 $ # 化学学报 1 1 & /"$! )$ # 2 # & '", 3 *$+ $# ( 4 5 #$3 $3 6 $, $$ 3 %,# "$ $ 7,8+ %, 7$ 5- "* # 6#, 3 + $ & 9#, :#, # & 1 ; $% / #$% # & ;,# "$ 5# 4 3, 3 (, " %",(,*#$ +, # #, #$3 $ -* ++ % + 3 $ &./0 9#$ 1 1 & 0 $ 2 # 9 # & *, 6*$ ( " * $+ $ ( %,# "$ #$ * " # 5 * # 5 " "* #,3 $ # "7#- #$3 + 5 *#% $% # # $ &./0. 3 :#, # + $,(# + 1 &! "# $%& ' # ()*+, & " )-#. % ' #& 0 9 /" $% - $ 2!" $% (#$%< 2 7!9 "#$ 2 >, $%! " #$ % $ & ' 1 / & 0 '" ; %,# "$ -, + #,5 $ 7#+, #,3 + $% # #, " #+ #,5 $ +, #$3 $#$ #+ * # & *# $3 $+ (, " # # - 4-%$,3 $,(,*#$ 7,3,* $3 #+ " *#++,# ( # #, $#$ #$3? " -, -+ + *,#, + 11 /& 0A: *#%+ +" 7 "# ", 3 + "#6 $ (,* -, + +,,& 'A: *#%+ 3* $+,# "# ", 3 + #,, + 7 " ( #* +"# +& )'A: *#%+ (, ", $3 # "# ", 3 + "#6 (,*3 +6, # #-,+ ; %,# "$ +,, 7" " #, # + +, 3 5- ); #$3 )#*#$ 3# # #$3 ", + *# $ - 3 +, 5 + $ 1 B 1 $*& ); 3# # +" 7 "# " *#, # + "#6 #, # $ 3%, ( %,# " # $& C0 +,# $3 # "# $#$ * # + 7#+"3 7 " $, $ 3 3 #$3 / *$ $ $ + #5 & D *# $ - *, + $% // 5 $3& EA',+ + 3* $+,# "# " + ( +,(# #,# * % ", + 3 +, 5 $ $ $,# + $ 1 B 1 $* 7" " + $+ + $ 7 " ",+ + 5 # $3 5- 'A:& A, "* #,(,*#$ + 7, + 3 $ 1& * 2? " $ #,3 $ $ # & % % #$3 ", $,#$+(, $ *5, + & & 0 " 7 + % 3,(,*#$ *#, # + $ # - +( (, 4-%$, 3 $ # # -+ & 1 # &0 ; %,# "$ -, + #,5 $@ # #, "@ * # # - 4-%$,3 $,(,*#$

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