基于异原子掺杂碳材料的高性能锌空气电池研究

摘要

随着能源需求日益增加，金属-空气电池，尤其是锌-空气电池，等可再生能源储存与转换技术由于其极高的理论能量密度、广阔的应用前景、低廉的成本价格和环境友好的特性得到了广泛关注。然而，这些电化学系统的实际应用依赖于低成本、高活性的氧还原（ORR）与氧析出（OER）双功能电催化剂。现阶段，贵金属及其合金衍生的催化剂虽然具备很好的催化活性，但由于各种限制而无法实现商业化应用。因此，人们致力于发展具有高催化活性的非贵金属催化剂用于替代实际应用中的贵金属催化剂。众多研究表明，一种对含氮、碳和过渡金属的前驱体进行高温碳化合成的非贵金属-氮-碳（M-N-C,M主要为铁、钴）材料具有很好的ORR催化潜力，钴基催化剂由于其良好的导电性和丰富的活性位点而具有出色的OER催化性能。
　　本文中，我们将二者的优势进行结合，事先合成聚吡咯-铁配合物（Fe/N/C）作为前驱体，通过对合成方法的修饰和改进，制备出不同的高效双功能催化剂，并采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X-射线衍射（XRD）、比表面积分析（BET）、循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）以及电化学阻抗（EIS）等分析方法研究材料的晶体结构、微观形貌和电化学性能，同时将材料组装成锌-空气电池并测试其实用性价值。本论文的工作包括以下几个方面：
　　1、将双金属沸石咪唑框架（记作BMZIF）与Fe/N/C构架结合形成复合材料作为高效的双功能催化剂。尽管单独的BMZIF或者Fe/N/C的氧催化活性均差强人意，但他们的复合材料却表现出优越的ORR性能（半波电位为0.85V）和出色的OER催化活性（10mA cm-2处的电压为1.64V），不仅超越了商业Pt/C催化剂的性能，而且比大多数已报导的双功能催化剂都要好。我们后续测试了该材料在锌-空气电池中的实际应用价值。该电池在峰值的功率密度高达235mW cm-2，同时，电池可以在10mA cm-2的条件下稳定工作100个循环。得益于Fe/N/C与BMZIF间的协同作用，该材料具备空前的催化活性，促进了高活性催化剂的发展，使之得以应用于电化学能源设备之中。
　　2、通过改进合成方法制备出一种原位生长且包裹过渡金属的高氮含量碳纳米管材料，该双功能催化剂具有非常优越的氧催化活性。最终产物表现出极高的OER（10mA cm-2处的电压为1.58V）及ORR（起始点位为0.97V，半波电位为0.86V）性能。在锌-空气电池测试中，其在峰值的功率密度较高。对于可充电式锌-空气电池，其循环性能很好，充放电电压差也很小。这种前所未有的电催化剂为基于氮掺杂碳纳米管的双功能催化剂的发展开辟了新途径，在新一代燃料电池、金属空气电池以及光催化的应用中具有很好的前景。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 锌-空气电池简介

1.2.1 锌-空气电池简史

1.2.2 锌-空气电池工作原理

1.3 锌-空气电池催化剂研究进展

1.3.1 贵金属类催化剂

1.3.2 过渡金属催化剂

1.3.3 碳基材料类催化剂

1.4 选题背景及主要研究内容

第二章 高效双功能Fe/N/C@BMZIF催化剂的合成及性能研究

2.1 引言

2.2 实验方法

2.2.1 实验试剂与设备

2.2.2 材料的制备

2.2.3 材料的表征

2.2.4 电化学测试

2.2.5 锌-空气电池的组装与测试

2.3 材料的表征及电化学性能

2.3.1 形貌和能谱分析

2.3.2 物相分析

2.3.3 ORR、OER及总体电催化性能测试及分析

2.3.4 锌-空气电池性能

2.4 本章小结

第三章 高效氮掺杂碳纳米管Fe3C/Co(Fe)Ox@NCNT催化剂的合成及性能研究

3.1 引言

3.2 实验方法

3.2.1 实验试剂与设备

3.2.2 材料的制备

3.2.3 材料的表征

3.2.4 电化学测试

3.2.5 锌-空气电池的组装与测试

3.3 材料的表征及电化学性能

3.3.1 形貌及能谱分析

3.3.2 物相分析

3.3.3 ORR、OER及总体电催化性能测试及分析

3.3.4 锌-空气电池性能

3.4 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢