碳基催化剂电催化二电子氧还原产过氧化氢

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过氧化氢(H2O2)是一种多用途且环境友好的氧化剂,广泛的应用于漂白,消毒,废水处理,化学合成,半导体清洁和废气处理等方面。目前,H2O2的大规模工业生产依赖于蒽醌法,可以集中产出高浓度的H2O2,进而运输到各个需要的场所。近年来,随着可再生能源技术的发展以及对分散式现场合成过氧化氢(H2O2)新方法的需求,利用太阳能,风能等清洁能源产生的电能进行电化学二电子氧还原(2e-ORR)合成H2O2被认为是一个简易,低能耗及环境友好的方法,而具有高ORR活性和高H2O2选择性的电催化剂的设计与合成是其中的关键因素,无金属的碳基催化剂(Metal free carbon catalysts,MFCCs)由于其价廉易得,高比表面积,高导电性,以及易于表面改性的特点而成为研究热点。本论文以XC-72碳粉为研究对象,通过表面氧化,有机-无机界面工程等方法改性,研究了XC-72碳粉含氧基团的浓度及种类对电催化合成H2O2性能的影响。此外,论文还研究了光热效应对于电催化合成H2O2的辅助效果,具体如下:1)分别采用400℃管式炉煅烧,以及80℃烘箱烘烤两种方法对XC-72碳粉进行氧化处理,光电子能谱显示-COOH;-C-O-C基团的存在有助于氧还原产H2O2,选择性和产率都有明显的增加。拉曼光谱揭示缺陷的形成有助于提高H2O2的选择性,在0.1M KOH溶液电解过程中,80℃焙烧的XC-72碳粉展现出优异的二电子氧还原电流,这为不同氧化方法构建碳粉表面含氧基团提供新的研究思路,与高温焙烧氧化方法相比,温和氧化方法具有反应简单,节约能耗的特点。2)利用多巴胺分子在XC-72碳粉表面自聚合的特点,选用多巴胺盐酸盐溶液和聚合时间,在XC-72表面构建一定厚度的聚多巴胺包裹层,通过透射电镜,光电子能谱,软X射线吸收谱等多种测试方法对材料进行表征,研究了XC-72@聚多巴胺这一催化剂在中性介质中对电催化合成H2O2产率及选择性的影响并对可能的反应机制进行了合理分析。3)利用XC-72碳粉具有光热效应这一特性,通过光电流响应,光热成像,电化学阻抗,电化学活性面积测量,即时安培曲线等测试手段,研究了外加光源对于电催化合成H2O2产率及选择性的影响,这为发展光热辅助技术在电催化中的应用提供了实践范例。综上所述,应用不同的调控手段可以有效改善XC-72碳粉电催化氧还原产H2O2的性能,并结合各种表征手段探究性能与结构之间的关系,探究内在催化机理,对于研究电催化合成H2O2这一领域具有理论和实践意义。
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