非金属掺杂木质基炭催化剂的水热控制制备及氧还原催化性能研究

To resolve the defects the hydrogen-oxygen fuel cells oxygen reduction catalyst have, such as easy deactivation, poor stability and tedious steps , the project using forestry waste-bark as raw materials, in hydrothermal environment with non-metal doping sources, preparing wood-based heteroatom carbon catalyst with highly active center and developed pore structures by hydrothermal carbonization. Analyzing influence rules of hydrothermal parameters and doping resources on catalysts’ structure, setting up hydrothermal control preparation system for wood-based heteroatom carbon catalyst with different chemical properties and structure features. Research their conductive properties and electrochemical behaviors such as reduction potential systematically, clarify the influence rules and mechanism of active center structures and pore size distribution on the conductivity and electrochemical properties. Study the oxygen reduction catalytic activity of new type wood-based heteroatom carbon catalyst in the fuel cell system, establish research system of hydrothermal preparation-structure characteristics-conductivity/electrochemical behavior-catalytic activity, explaining the factors that affecting catalyst activity in molecules and nano scale, to select the wood-based heteroatom carbon catalyst with high oxygen reduction catalytic activity and electrochemical stability. Solving problems the traditional Pt/C catalyst have, such as high cost, easy active attenuation, at the same time provide theoretical basis of the functionalization and high value utilization for forest resources in new energy field.

针对目前氢氧燃料电池氧还原催化剂易失活、稳定性差、制备步骤繁琐等缺陷，项目以林木废弃物树皮为原料，在非金属掺杂源存在的水热环境下，水热炭化制备出具有高活性中心和发达孔隙结构的木质基杂原子炭催化剂。分析水热反应条件和掺杂源对催化剂结构的影响及变化规律，建立不同化学性质和结构特性的木质基杂原子炭的水热控制制备体系。系统研究木质基杂原子炭导电性质和还原电位等电化学行为，阐明活性中心结构和孔径分布对电导率和电化学性质的影响规律与机制。研究新型木质基杂原子炭催化剂在燃料电池体系中的氧还原催化活性，建立木质基杂原子炭水热制备－结构特性－导电/电化学性质－催化活性的研究体系，从分子和纳米尺度解释影响催化剂活性的本质因素，筛选具有高氧还原催化活性和电化学稳定性的木质基杂原子炭催化剂，解决传统Pt/C催化剂成本高、活性易衰减等问题，同时为林木资源在新能源领域的功能化、高值化利用提供理论依据。

生物质资源作为一类储备丰富的环保型可再生资源，富含碳元素，以其为原料制备的炭材料具有传统石油基，煤基炭材料优异的导电性能，化学性质和发达的孔隙结构同时往往兼具丰富的官能团、超强的吸附能力以及高的化学稳定性。以生物质资源为原料制备炭材料，能够降低生产成本，实现碳的可持续发展，有效促进资源再利用。.以壳聚糖为前驱体，分别采用水热/模板法制备出不同形貌的杂原子掺杂炭材料，在没有任何模板剂添加的情况下制备得到微孔结构发达的碳球(CSs)；而以F127作模板剂时可以制备得到具有长程有序介孔结构的管状结构(CSF)；使用离子液体作为模板剂时可以制备得到含有短程和长程有序的微/介孔的二维层状碳(CSI)，实现木质基炭材料形貌的定向调控制备。.分别考察了不同活化条件，包括氮气活化，氨气活化，二氧化碳活化以及KOH活化对制备得到的木质基炭材料孔道结构，表面官能团及应用性能的影响。实现了杂原子掺杂木质基炭材料孔隙结构的定向制备，建立了活化手段-孔隙结构/官能团的可控制备体系。.上述制备的不同形貌和孔隙结构的杂原子掺杂炭材料用于超级电容器电极材料，考察其在酸性电解质中，三电极体系下的电化学性能，系统研究木质基杂原子炭导电性质等电化学行为，阐明活性中心结构和孔径分布对电化学性质的影响规律与机制。建立木质基杂原子炭结构-导电性/电化学性质之间的关联体系，从分子层次解释影响木质基杂原子炭电化学性能的本质因素和机制。同时将其制备成对称固态超级电容器，考察其实际应用性能和价值。进一步结合实际应用需要，制备了木质基炭-炭复合碳材料，实现了具有高质量比电容与高体积比电容炭电极材料的定向制备，赋予了其实际应用价值。