钴氮共掺杂多孔碳材料的制备及其氧还原催化性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

随着现代社会的快速发展，人类社会对能源的需求越来越大。目前，可利用的能源主要是石油、煤炭、天然气等传统化石能源，它们给人类社会带来了质的飞跃与发展。但与此同时化石燃料的燃烧也给我们生活的地球带来了很多环境问题问题，例如：温室效应、酸雨、雾霾、臭氧层空洞等。因此，人们希望开发下一代可再生清洁能源装置，以取代传统的化石燃料，包括燃料电池、金属空气电池等。然而，阴极氧还原反应（orr)的动力学过程缓慢，限制了它们的进一步工业化应用，因此，需要加入催化剂降低反应活化能才能提高它的反应速率。目前,最先进的、商业化的orr电催化剂多是基于pt基纳米材料的,然而,pt资源稀缺,价格高昂,稳定性较差,且易co中毒，限制了其广泛的技术应用。因此，高效、稳定、低成本的非贵金属氧还原催化剂的开发是一项十分有意义，但同时也是很具有挑战性的工作，对于燃料电池和金属空气电池的商业化生产具有重要作用。

近年来，人们对非贵金属氧还原催化剂展开了大量的研究，如过渡金属氧化物、无金属掺杂碳基材料、过渡金属-氮共掺杂碳材料（m-n-c）、金属大环化合物等。其中，m-n-c其催化活性高，价格低廉，稳定性好等优点，也成为orr催化剂的研究热点，尤其是fe-n-c和co-n-c。其中,金属钴氮掺杂碳(co-n-c)催化剂特殊的介孔结构大大增加了比表面积，并提供了更多的活性位点，可以诱导电荷不均匀的分布,从而提高o₂的吸附和还原,进一步提高氧还原的催化性能，人们发现金属钴氮掺杂碳(co-n-c)具有较高的起始电位，以及半波电位，极有可能取代金属铂成为下一代燃料电池阴极催化剂，被认为是最有前途的高orr活性的无pt/c催化剂。迄今为止,已经有多种多样的金属钴基催化剂被应用于催化领域。

因此，本课题我们以廉价的氯化钴、吡咯、甲醛等为原料，采用简单的热解法制备出钴氮共掺杂多孔碳（co-n-c)材料，并进行结构表征，探索最佳的合成条件，然后将其与n-c材料的电化学性能进行比较。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：以廉价的氯化钴、吡咯、甲醛等为原料，采用简单的热解法制备出钴氮共掺杂多孔碳（co-n-c)材料，对材料的结构和形貌进行表征，并将所得的材料用于氧还原电学性能的测试。本论文探索并确定一步热解法合成co-n-c纳米颗粒的最佳实验条件，将所得纳米co-n-c材料与n-c材料对比，研究材料的orr的电学催化性能。

具体研究内容包括：（1） 以氯化钴、吡咯、甲醛等为原料，通过聚合反应、高温热解等方式，获得co-n-c纳米材料；

（2）分析所引入的co含量对所得co-n-c纳米材料的晶型、结构和形貌差异；

3. 研究的方法与步骤

常见的钴氮共掺杂碳材料的制备方法主要有eisa法（溶剂挥发诱导自组装法）、熔盐法、氯化钴模板制备法等。

（1）eisa法

将三聚氰胺，甲醛溶液加热聚合后得到三聚氰胺甲醛树脂，向其中加入非离子表面活性剂f127乙醇溶液和co(no₃)₂·6h₂o,等量分散在表面皿中，置于低温烘箱内烘干固化得到中间体材料,再通过高温碳化这一环节得到co,n/c材料，通过控制其不一样的碳化温度来研究其电化学性能。

4. 参考文献

[1] callejas j f, read c g, popczun e j, et al. nanostructured co2p electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction and direct comparison with morphologically equivalent co p [j]. chem.mater.,2015, 27: 3769-3774.

[2] han y, wang y-g, chen w, et al. hollow n-doped carbon spheres with isolated cobalt single atomic sites: superior electrocatalysts for oxygen reduction. j. am. chem. soc., 2017, 139(48): 17269-17272.

[3] huang z, pan h, yang w, et al. in situ self-template synthesis of fe-n-doped double-shelled hollow carbon microspheres for oxygen reduction reaction. acs nano, 2018, 12(1): 208-216.

5. 计划与进度安排

(1)第1周~第4周，查阅资料，制定实验方案与计划，准备开题报告；外文论文翻译，论文前言部分的撰写；

(2) 第5周~第8周，合成多孔结构的co-n-c纳米材料；对材料进行xrd、sem等表征；并探索材料制备条件对材料结构的影响；

(3) 第9周~第12周，测定co-n-c样品的电化学性能，并比较金属co含量的不同对所得co-n-c纳米材料的orr电催化性能的差异；