氮掺杂对碳材料电化学储氢性能影响的研究开题报告

全文总字数：7254字

1. 研究目的与意义（文献综述）

自工业文明兴起，社会生产力得到根本上的提升，创造了大量的社会财富，社会福利制度蓬勃发展，实现了社会的重大转型；然而，工业文明的发展依赖于非再生能源，消耗了巨量的矿物资源，排放的co₂、n₂o等温室气体打破了地球的热量平衡。据估计，全球非再生能源储量已不够满足后代人的需求，而温室气体所导致的全球变暖已严重威胁到人类的生存环境，同时，为响应“科学发展观”，为可持续发展战略贡献自己的力量，广大研究者在研发新能源、开发能源应用新材料的道路上前赴后继。其中，燃料电池作为一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置，不受卡诺循环的限制，发电效率较高，环境污染小，比能量高^[1]，被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术^[2]。氢燃料电池以氢气为燃料,与氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能,无污染,发电效率高于固体氧化物燃料电池^[3]，氢的廉价制备、安全高效运输以及大规模应用是当今研究的重点,而氢能的储存是其中的关键性问题，传统的储氢方式由于其相对较低的储氢量和较高的成本己经渐渐不能满足日益增长的工业需求。根据储氧材料的用途与储氢容量的测试方法的不同可以把储氧材料分为直接法储氢材料和电化学储氧材料。已经用于电化学储氢的金属氢化物合金重、昂贵且不稳定，由于碳良好的电子导电性和较轻的重量，在阴极极化的碳电极上进行水的电分解过程中的氢吸附是一种在环境温度和压力下储氢的替代方法^[4]，逐渐成为当前储氢材料开发和研究的热点；而氮原子掺杂可以大幅提高碳材料的电化学及催化性能，并赋予其某些奇异的特性，因此通过调控氮掺杂量可以有效控制掺杂材料的形貌和导电性，得到适合不同应用的掺杂产物，有望为基于碳材料的电子设备及催化过程效能的提高开辟新的道路，氮原子掺杂碳材料有望成为纳米材料领域的新热点^[5]。

碳材料具有孔道结构多样性、表面活性高、可调控性强、比表面积高、导电性能优异、化学稳定性高等优点,在电化学储氢中起到了极为重要的作用^[6]。

很难解释电化学生成的分子h₂如何在与碳表面范德华力存在固有缺陷的情况下与热能竞争，在活性碳多孔结构的环境条件下形成稳定的单层膜。氢嵌入的过程与物理、化学表面吸附过程相区别，表面吸附的特点是其容量通常与材料的表面积有关：表面积越大，吸附量越大，但研究证明电化学储氢容量与碳材料的表面积没有明显关系，大部分氢不会停留在碳材料表面，值得强调的是一些电吸附氢原子将留在碳表面，并与嵌入的氢原子达到动态平衡^[7]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究（设计）的基本内容

氮原子的掺杂可增强活性碳材料的储氢性能和电化学性能，鉴于此，本论文基于文献报道的氮掺杂活性碳材料的近年的研究进展，分析比较其氮掺杂活性碳材料的掺杂方法、制备方法、储氢性能、材料性能及其相关应用，并展望其未来发展趋势。

2.2目标

3. 研究计划与安排

3月25日前：查阅相关文献资料，明确研究内容，完成开题报告，并在毕业设计管理系统上提交；

4月15日前：利用qq向指导老师汇报已完成部分的情况；

5月25日前：学生根据实际进展，在4月15日、5月1日和5月20日，完成3次阶段性成果报告；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]刘洁,王菊香,邢志娜,李伟.燃料电池研究进展及发展探析[j].节能技术,2010,28(04):364-368.

[2]王华文, 齐国桢. 燃料电池技术研究进展及产业化[j]. 高桥石化, 2005, 20(3):46-50.

[3]邵志刚,衣宝廉.氢能与燃料电池发展现状及展望[j].中国科学院院刊,2019,34(04):469-477.