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纳米复合材料的设计合成及其在能源转换和存储中的应用
唐红杰
学位类型博士
导师王丹
2014-11
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位专业材料学
关键词纳米复合材料 阴极氧还原催化剂 贵金属铂 二维材料 有机-无机复合电容器电极材料
摘要进入21世纪,能源短缺以及化石能源的大规模使用引发的一系列问题越发严重。如何开发出新的能源转化利用形式以及有效地将这些能源进行存储成为科学家们研究的热点。本研究从纳米材料合成设计的角度出发,开发出一系列新型的纳米材料,分别应用于质子交换膜燃料电池和超级电容器的阴极氧还原催化剂以及电极材料,取得了一些阶段性的成果,具体研究内容如下: 1. 质子交换膜燃料电池作为一种非常有前途的能源转化装置,由于其能源转化效率高,无污染,受到了人们的广泛关注。然而其阴极氧还原有着较大的过电势且目前广泛使用的Pt基催化剂十分昂贵,严重阻碍了其大规模的商业化进程。如何制备出高活性的阴极氧还原催化剂并降低贵金属Pt的用量,成为科学家们的研究课题。我们从纳米晶可控合成的角度出发,在金纳米棒表面可控沉积出了近1~2原子层的Pt。当将其用于阴极氧还原催化剂时,其展示出了优异的催化活性以及循环稳定性,其质量活性是商业Pt/C催化剂的约3.2倍。 2. 尽管Pt催化剂的催化活性高,但其在地球上的储量十分有限且价格非常昂贵,限制了它的大规模使用。如何用廉价的丰富的其他非贵金属催化剂来取代Pt基催化剂是未来人们要研究的主要方向。我们从分子组装的角度出发,在石墨烯上,通过对金属离子及卟啉分子的多次吸附,制备了钴卟啉/石墨烯复合催化剂。并进一步通过对催化剂结构、厚度及性能的可控合成,实现了催化活性的最大化。同时,由于石墨烯的大比表面积、高导电性及稳定性,合成的催化剂稳定性及抗甲醇中毒性能均得到了很大的改善。该成果为高活性高稳定性复合非贵金属氧还原催化剂的设计与开发开辟了新的路径。 3. 超级电容器,尤其是赝电容电容器,能快速并可逆地存储相较于双电层电容器更多的电荷,近年来引起了人们很大的研究兴趣。基于导电高分子的电容器,由于其成本低,环境兼容性好,导电性良好(掺杂态),电压窗口较宽,存储能力可观及可逆性较强,越来越受到人们的广泛关注。然而其与电解液非充分及非可控的接触以及在不断的循环过程中严重的膨胀和收缩,严重影响其电荷存储能力及循环性能。一个很有效的解决这个问题的方法是在二维层状材料表面上生长超薄的导电高分子层。我们发展了一种基于溶液相的方法来合成单层MoS2与聚吡咯的复合物并用作超级电容器电极材料。这种特殊的三明治状的结构特点能够更有效地利用赝电容材料聚吡咯的电荷存储能力,而且由于导电的MoS2单层材料的引入其电荷的传输能力也大幅度加强,使得该材料拥有大的比电容量,良好的速率性能以及优异的循环稳定性。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20286
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
唐红杰. 纳米复合材料的设计合成及其在能源转换和存储中的应用[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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