磷掺杂对纳米碳材料氧还原催化性能的影响(4)
本文通过高温热处理纳米碳材料和三苯基磷实现磷的掺杂，制备磷掺杂石墨烯，磷掺杂炭黑，磷掺杂碳纳米管，氮,磷共掺炭黑和氮，磷共掺碳纳米管并对其形貌、结构和组成进行表征和分析。
1.2 本论文的选题依据
1.2.1 磷掺杂的优势
在已掺杂的元素研究中，N元素的研究最为成熟也十分广泛，因为P元素和N元素为同族元素，有较为相似的性质，所以用磷掺杂看其性质变化。
1.2.2 磷掺杂的研究思路
通过裂解甲苯和三苯基磷沉积出磷掺杂石墨，以其作无金属催化剂取代Pt／C贵金属催化剂，在燃料电池的阴极氧化反应中展现出电催化活性，但其较低的磷含量(0.26％)和比表面积(4m2 • g-1)有待提高。Li R等通过热处理氧化石墨烯和离子液体(1-丁基-3-甲基咪唑吹冰氟磷酸盐)合成磷掺杂石墨烯，但离子液体中的氟和氮会影响产物石墨烯的纯度。我们通过高温热处理纳米碳材料和三苯基磷实现纳米碳材料的原位还原和掺杂，制备磷掺杂石墨烯，磷掺杂炭黑，磷掺杂碳纳米管，氮、磷共掺炭黑和氮、磷共掺碳纳米管并对其形貌、结构和组成进行表征和分析。
1.2.3 本课题的研究内容
我们首先拟探究磷掺杂不同纳米碳材料的效果，选出最优碳材料。用石墨烯，炭黑和碳纳米管作为不同碳源，合成阴极ORR催化剂磷掺杂炭黑（XC-72-F），磷掺杂石墨烯（G-P）和磷掺杂碳纳米管（CNT-P）。还拟探究不同比温度下磷掺杂对ORR性能的影响，找出最佳温度，在此基础上将通过一步水热法合成N，P共掺杂的炭黑（XC-72-P-N）和N、P共掺杂的碳纳米管（CNT-P-N）。通过循环伏安法（CV）、旋转环盘电极（RDE）以及电流随时间的响应（i-t）分别考察XC-72-P和XC-72-P-N催化剂在中性介质中的ORR活性和转移电子数。
1.3 本课题研究内容与方法
1.3.1 磷掺杂纳米碳材料的制备
为了比较磷掺杂不同碳源的ORR催化效果，本文采用高温热处理方法分别对炭黑、碳纳米管和石墨烯等典型碳材料进行了P掺杂实验。与类似研究工作相比，这种方法操作工艺简单，易于放大，通过控制热处理温度就能够实现产物中磷元素含量和化学态分布的调控。
1.3.2 利用各种表征推测、解释中性条件下的氧还原性能
通过形貌和价态等表征（SEM、TEM、XRD、XPS、Raman），确定磷掺杂纳米碳材料的组成和形貌；扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）用来观察纳米颗粒大小、纳米颗粒在碳材料上面的分布情况；X射线衍射（XRD）和X光电子能谱（XPS）是用来检测材料晶型、物相、表面元素价态；说明磷已经成功的掺杂进了碳材料中。进行材料的结构特性的表征。首先进行SEM(扫描电子显微镜)，扫描电镜（SEM）是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。扫描电镜的优点是，有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；试样制备简单。 目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析，因此它是当今十分有用的科学研究仪器。其次有TEM(透射电子显微镜)，TEM常用于研究纳米材料的结晶情况，观察纳米粒子的形貌、分散情况及测量和评估纳米粒子的粒径。是常用的纳米复合材料微观结构的表征技术之一。
在三电极体系下，通过循环伏安法(CV)、旋转圆盘电级（RDE）等电化学表征，研究材料在中性条件下ORR性能、催化剂毒性和稳定性，比较不同温度下磷掺杂对纳米碳材料的氧还原性能的影响。选择最优温度和最好的碳源进行氮、磷共掺。