金属材料物理化学论文提纲

论文题目：木材纳米纤维基过渡金属复合材料结构调控与电催化性能研究

摘要：随着资源的紧缺以及人类对绿色环保的追求,以丰富的农林生物质资源为原料,设计和研发生物质基复合功能材料是新材料的重要研究内容之一。木材纤维经过2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）氧化和机械处理后,制备的木材纳米纤维（CNF）具有交织的纳米网络结构、高长径比、生物相容性好、可自然降解以及绿色可再生等特性。同时,CNF兼具天然纤维特性和纳米材料特性,具有富含羟基和羧基的高反应活性表面,为CNF在功能材料的结构设计、尺寸控制、电子结构调控等领域的应用提供了结构和化学基础,进而拓宽木材资源在绿色储能、催化转化以及仿生智能材料等材料领域的应用。另一方面,在环境污染与能源危机的大背景下,电催化分解水产氢备受人们关注。虽然大量低成本过渡金属催化剂被研发应用于电催化领域,但是仍然存在着过渡金属颗粒易团聚、导电性低以及催化活性低等问题。因此,如何有效改善过渡金属催化剂的性能,提高电催化效率是实现大规模电催化产氢的重要基础。本文利用CNF调控过渡金属材料的多维微观形貌,改善过渡金属催化剂存在的上述问题。研究CNF对过渡金属材料微观结构、理化性能以及电催化性能的影响,并深入探讨了CNF对过渡金属材料电催化反应的增效机制。以期为拓宽木材资源在电催化以及电化学相关领域中的应用和可再生CNF基“绿色”高效催化材料的制备提供方法与参考。主要研究内容与结果如下:（1）采用TEMPO氧化和高压均质处理制备了CNF悬浮液。TEMPO氧化预处理后,纤维素容易团聚沉淀,而进一步经过高压均质处理后,CNF可以形成稳定的悬浮液,且随着均质处理次数的增加,制备的CNF直径减小,CNF悬浮液越透明。CNF表面带有丰富的羟基和羧基,随着TEMPO氧化处理体系中次氯酸钠（Na Cl O）添加量的增加,CNF表面的羧基含量增加。经过真空冷冻干燥后,制备的CNF气凝胶呈片层多孔结构,碳化后保持相互交织的纳米片层多孔结构。CNF碳气凝胶表现的电催化析氧（OER）反应活性较低。（2）采用水热法和煅烧法制备了二维平面CNF过渡金属复合材料。通过CNF对Co Fe纳米颗粒的化学吸附与物理作用,在CNF的自组装过程中Co Fe纳米颗粒被有序固定在CNF纳米碳片上,形成了二维平面的过渡金属复合材料。CNF的添加有效改善过渡金属颗粒的团聚,制备的过渡金属催化剂（Fe-Co S/NC）尺寸显著减小,比表面积是未添加CNF制备的Fe-Co SN催化剂的7.3倍。CNF的添加量对催化剂的OER性能影响显著,当CNF添加量为30%时,合成的Fe-Co S/NC催化剂表现出较优的OER性能。在1.0 mol/L的KOH电解液中,电流密度达到10 m A cm-2时,Fe-Co S/NC催化的过电势仅需257m V,Tafel斜率仅为46.7m V dec-1,性能优于商业化的贵金属氧化钌（Ru O2）催化剂和其他文献中报道的Co Fe基催化剂。Fe-Co S/NC催化剂性能和结构稳定,保持电流密度为10 m A cm-2,经过50h的稳定性测试后,过电势仅增加2.82%。（3）基于二维平面结构,以CNF为反应平台,采用水热法和煅烧法进一步构筑了三维多孔的CNF过渡金属催化材料（Ni Fe Cr P/NC）。CNF的添加有效改善了过渡金属粒子的团聚,过渡金属颗粒尺寸减小,Ni Fe Cr P/NC催化剂的比表面积显著增大,是未添加CNF制备的Ni Fe Cr P催化剂的9.7倍。当CNF的浓度为0.3%,CNF的添加量为30%时,Ni Fe Cr P/NC催化剂表现出优异的OER性能,在1.0 mol/L的KOH电解液中,电流密度达到10m A cm-2时,过电势仅需249m V,Tafel斜率仅为51.2m V dec-1,性能显著优于商业化的贵金属Ru O2催化剂,且导电性提高,EIS阻抗显著减小。Ni Fe Cr P/NC催化剂的电化学活性面积显著增加,是Ni Fe Cr P催化剂的4.7倍,且表现出优异的稳定性,在恒定电流密度10m A cm-2,经过40h的稳定性测试后,过电势仅增加2.5%,且催化剂的结构保持稳定。（4）以CNF为牺牲模板和分散剂,采用水热法和磷化法构筑了表面蓬松、三维多孔的M3PCA过渡金属催化材料。M3PCA催化剂表面具有较多的孔洞和裂隙,呈现出三维多孔的微纳结构。CNF的添加改善了过渡金属颗粒的团聚板结现象,有效分散过渡金属颗粒,减小过渡金属材料的尺寸。M3PCA催化剂比表面积增大,是M3P催化剂比表面积的2.7倍。在1.0 mol/L的KOH电解液中,M3PCA催化剂表现出较优的OER性能和电催化析氢（HER）性能,电流密度达到10m A cm-2时,OER和HER的过电势分别为265m V和186m V,Tafel斜率分别为68.0m V dec-1和73.8m V dec-1。将M3PCA应用于全解水反应,电流密度达到10 m A cm-2时,仅需1.58V的电势,比M3P的电势降低了110m V,性能优于其他文献中报道的过渡金属催化材料。M3PCA催化剂表现出优异的稳定性,保持电流密度为10 m A cm-2,经过30h的全解水反应后,电势仅增加1.8%,且结构稳定。（5）从物理化学联合分散机制、高活性表面增效机制、电子高效转移机制探讨总结了CNF作为反应平台和模板对过渡金属催化剂的增效机制。CNF对过渡金属颗粒具有物理-化学联合分散固定作用,这为二维平面和三维多孔CNF基过渡金属材料的合成提供了良好的基础。以CNF为反应平台或者以CNF为模板和分散剂制备的过渡金属催化材料,颗粒尺寸较小,比表面积增大,有效改善了过渡金属颗粒的团聚现象,暴露更多的催化活性位点,使得催化剂具有高活性表面,从而提高催化反应效率。同时,显著降低催化剂电化学阻抗,促进了电子的高效转移。研究结果为过渡金属粒子的分散提供了思路,促进了绿色催化剂的发展,也为其他金属颗粒、无机粒子以及有机聚合物的分散、特定形貌的合成提供了思路与方法,为拓宽CNF以及木质材料的应用领域提供了参考,符合绿色发展的需求。

关键词：木材纳米纤维;复合催化材料;结构调控;电催化性能;增效机制

学科专业：林业工程

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 引言

1.2 纳米纤维概述

1.3 木材纳米纤维的制备及应用

1.3.1 木材纳米纤维的制备

1.3.2 木材纳米纤维气凝胶

1.3.3 木材纳米纤维的应用

1.4 电催化分解水概述

1.4.1 电催化分解水原理

1.4.2 电催化析氧反应

1.4.3 电催化析氢反应

1.4.4 全解水反应

1.4.5 电催化测试中的重要参数

1.4.6 电催化分解水研究进展

1.5 木材纳米纤维在电催化中的研究现状

1.5.1 木材纳米纤维在电催化中的研究进展

1.5.2 存在的主要问题

1.6 本文立题依据与研究内容

2 木材纳米纤维制备及性能优化

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验方法

2.2.3 性能表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 木材纳米纤维的制备

2.3.2 宏观形貌分析

2.3.3 表面化学基团

2.3.4 微观形貌分析

2.3.5 气凝胶和碳气凝胶的微观形貌

2.3.6 碳气凝胶的析氧性能

2.4 结论

3 木材纳米纤维基二维平面过渡金属材料制备及析氧性能

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 实验材料

3.2.2 实验方法

3.2.3 性能表征

3.3 结果与分析

3.3.1 催化剂的制备

3.3.2 微观形貌与晶体结构分析

3.3.3 拉曼与比表面积分析

3.3.4 化学组分分析

3.3.5 电催化析氧性能分析

3.3.6 稳定性分析

3.4 本章小结

4 木材纳米纤维基三维多孔过渡金属材料制备及析氧性能

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验方法

4.2.3 性能表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 催化剂的制备

4.3.2 微观形貌与晶体结构分析

4.3.3 比表面积与拉曼分析

4.3.4 化学组分分析

4.3.5 电催化析氧性能分析

4.3.6 稳定性分析

4.4 本章小结

5 木材纳米纤维模板调控三维过渡金属材料制备及全解水性能

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 实验材料

5.2.2 实验方法

5.2.3 性能表征

5.3 结果与分析

5.3.1 微观形貌与晶体结构分析

5.3.2 比表面积分析

5.3.3 化学组分分析

5.3.4 电催化析氧性能分析

5.3.5 电催化析氢性能分析

5.3.6 全解水性能与稳定性分析

5.4 本章小结

6 木材纳米纤维对电催化活性的增效机制

6.1 引言

6.2 木材纳米纤维对电催化活性的增效机制

6.2.1 物理化学联合分散机制

6.2.2 高活性表面增效机制

6.2.3 电子高效转移机制

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

致谢