【摘要】：在當(dāng)今全球科技和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及人口快速增長(zhǎng)過程中,能源扮演著舉足輕重的角色。由于傳統(tǒng)化石燃料的儲(chǔ)量有限及其快速消耗,發(fā)展清潔、高效和可持續(xù)的新型能源技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。其中,鋅空氣電池(ZABs)因具有理論能量密度高、使用安全、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是一種非常有市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉磧?chǔ)存和轉(zhuǎn)化設(shè)備/技術(shù)。然而,ZABs的商業(yè)化仍存在一些問題,而解決這些問題的關(guān)鍵在于研發(fā)高效、穩(wěn)定的正極催化劑和發(fā)展先進(jìn)的電化學(xué)技術(shù)。因此,開發(fā)用于ZABs正極發(fā)生電催化氧還原(ORR)和氧析出(OER)的高效、耐用、低成本催化劑,對(duì)其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要。本論文中,我們以金屬有機(jī)骨架(MOF)為犧牲模板,通過較為綠色、簡(jiǎn)易和高效的策略,制備了一系列具有成本效益、高活性和強(qiáng)穩(wěn)定性的碳基納米Pd復(fù)合材料催化劑。利用多種表征手段分析了材料的結(jié)構(gòu)、元素組成、Pd的含量、界面電子相互作用等和電催化活性之間的關(guān)系。并通過ZABs電池測(cè)試研究了催化劑在實(shí)際應(yīng)用中的性能和穩(wěn)定性。主要工作內(nèi)容如下:(1)首先,以Mo-MOF作為犧牲模板經(jīng)過簡(jiǎn)單碳化過程得到納米管狀的β-Mo_2C,然后通過濕化學(xué)法在β-Mo_2C上原位合成了Pd納米粒子(Pd NPs),并將該碳基納米Pd復(fù)合材料催化劑Mo_2C-Pd_y(y表示Pd的初始加入質(zhì)量百分比)用于催化ORR和析氫反應(yīng)(HER)。通過電化學(xué)測(cè)試,我們發(fā)現(xiàn)隨著Pd含量的增加,催化劑的ORR和HER活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),其中Mo_2C-Pd-9%表現(xiàn)最佳。在ORR和HER測(cè)試中,Mo_2C-Pd-9%還表現(xiàn)出了優(yōu)于商業(yè)Pd/C催化劑的電催化性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。(2)其次,用雙金屬M(fèi)OF(FeNi-MOF)作為前驅(qū)體,通過碳化和表面改性成功地制備了一系列棒狀介孔結(jié)構(gòu)FeNi_3C_x-Pd_y(x表示不確定的碳含量)碳基復(fù)合材料。其中,FeNi_3C_x-Pd-7%作為雙功能氧電催化劑的性能最好。OER測(cè)試中,50 mA cm~(-2)電流密度下的過電位僅有288 mV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前OER基準(zhǔn)催化劑RuO_2,同時(shí)其電催化ORR性能也接近Pt/C催化劑。此外,FeNi_3C_x-Pd-7%在OER和ORR的穩(wěn)定性測(cè)試中均表現(xiàn)出了良好的耐久性。(3)最后,我們將上述兩部分工作中制備的Mo_2C-Pd_y和FeNi_3C_x-Pd-7%作為空氣陰極催化劑自組裝了ZABs。通過在實(shí)際電池運(yùn)行情況下的性能和穩(wěn)定性測(cè)試可知:(i)Mo_2C-Pd-9%基ZAB在Mo_2C-Pd_y系列中表現(xiàn)出了最佳的電池性能,其恒流放電電壓、比容量及相應(yīng)的能量密度均超過了Pt/C基ZAB的性能。(ii)用FeNi_3C_x-Pd-7%制成的可再充ZAB(RZAB),其功率密度、能量密度及比容量分別為234 mW cm~(-2)、967 Wh kg~(-1)和772 mAh g~(-1),均優(yōu)于Pt/C+RuO_2基RZAB。此外,其還表現(xiàn)出了高效的長(zhǎng)循環(huán)壽命(900次充-放電循環(huán)),且在10 mA cm~(-2)下的總過電位僅為0.72 V,具有巨大的商業(yè)應(yīng)用潛力。
【圖文】：

提高 ZABs的放電能力，Schumadcher及 Heise等人在 1932年將 ZABs用的中改為了堿性，從而顯著地降低了電池的內(nèi)阻，使 ZABs 的放電電流密度達(dá)到cm-2。但是，由于一直沒有高效的催化劑與合適的空氣電極結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致 ZAB很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)停滯不前。直到1960年以后，伴隨著常溫燃料電池的迅速發(fā)展，氣體擴(kuò)散電極得到了人開發(fā)，這也為 ZABs 的發(fā)展帶來了契機(jī)。以聚四氟乙烯作為疏水劑和粘接劑優(yōu)異氣體擴(kuò)散電極慢慢取代了其它的空氣電極。隨后，，防水透氣膜的成功引夠在常壓下正常工作，從此 ZABs開啟了商業(yè)化進(jìn)程。目前，ZABs在許多重?fù)]了不可替代的作用，包括助聽器等小功率醫(yī)療設(shè)備、電動(dòng)汽車等大功率設(shè)定式能量站等儲(chǔ)能基地[8, 22]。.1 鋅空氣電池工作原理

Bs（500-2000 A h）主要用于鐵路和航海燈標(biāo)裝置上，小型 ZAB已被廣泛用于助聽器等醫(yī)療器械[8, 22]。ZABs 的普及使用，將會(huì)大短缺及環(huán)境污染等問題。所述，雖然 ZABs 目前還存在一定的制約因素和技術(shù)瓶頸有待進(jìn)一相較于逐漸被人們熟知的鋰電池的不安全性和高成本等問題，ZA還是成本方面都顯得更加具有值得長(zhǎng)期研究并大規(guī)模推廣的潛力[1生能源儲(chǔ)存/轉(zhuǎn)換、電動(dòng)汽車和下一代消費(fèi)類電子產(chǎn)品（如通信、電及醫(yī)療保健的柔性設(shè)備等）領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力和良好的商氣電池正極電催化反應(yīng)機(jī)理還原反應(yīng)（ORR）
【學(xué)位授予單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O643.36;TM911.41

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本文編號(hào)：2618151