以金屬有機框架化合物為模板的多孔碳材料在電催化及鋅空氣電池中應用
發(fā)布時間：2021-01-10 12:07
對清潔能源日益增長的需求引發(fā)了對高效,廉價和無毒的能量轉(zhuǎn)換和存儲設備的深入研究。氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）是燃料電池,水分解和各種可充電電池的重要電化學過程。然而,開發(fā)具有增強的電化學性能的實用電催化劑仍然是一項挑戰(zhàn)。鉑基電催化劑是迄今最有效的ORR催化劑。對于OER,基于銥和釕的氧化物的電催化劑被認為是最有效的催化劑。但是,由于這些材料價格昂貴,穩(wěn)定性差以及不容易反應的惰性中間體,限制了其大規(guī)模的應用。因此開發(fā)具有高活性,高穩(wěn)定性和低成本的電催化劑是十分有意義的。基于此,本論文主要以金屬有機框架化合物為模板,通過調(diào)控金屬的摻雜合成一系列氮摻雜的多孔碳材料,詳細研究了合成的電催化劑的優(yōu)異性能和這種性能的來源并進行了應用。（1）以自制的ZIF-8為模板,通過水解金屬鹽（Fe（NO3）3·9H2O,Co（NO3）2·6H2O和Ni（NO3）3·9H2O）在模板表面負載金屬氫氧化物,...
【文章來源】：青島科技大學山東省
【文章頁數(shù)】：97 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
水性和非水性金屬空氣電池中各種金屬陽極的理論比能量，體積能量密度和標稱電池電壓[14]
劑來加速該過程。對于可充電鋅空氣電池，每個主要結(jié)構(gòu)部件都面臨著自己的挑戰(zhàn)。對于空氣電極，很難找到促進兩個氧化還原反應的催化劑，從而限制了鋅空氣電池的功率密度。此外，空氣中的二氧化碳（CO2）會與堿性電解質(zhì)發(fā)生碳酸化反應，從而改變了電池內(nèi)部的反應環(huán)境。碳酸鹽副產(chǎn)物可能會堵塞氣體擴散層的孔隙，從而限制了通向空氣的通道。對于隔膜，尋找一種在堿性環(huán)境中堅固但又允許氫氧根離子流動而同時阻止鋅離子的材料具有挑戰(zhàn)性。對于鋅金屬電極，很難控制鋅的不均勻溶解和沉積，這是枝晶形成和形狀變化的主要原因。圖1-2充電式鋅空氣電池示意圖[14]。Fig1-2Schematicillustrationofrechargeablezinc-airbattery.因此，需要雙功能催化劑以將ORR和OER動力學提高到鋅空氣電池中的實際可用水平。鉑（Pt）對ORR表現(xiàn)出優(yōu)異的活性，但對OER則表現(xiàn)出較差的性能，這是由于形成了具有低電導率的穩(wěn)定氧化物層[17]。貴金屬氧化物，例如釕（Ru）和銥（Ir）氧化物，雖然是出色的OER催化劑，但對ORR的活性較低[18]。尤其是，現(xiàn)有的貴金屬基催化劑的耐用性在可充電鋅空氣電池操作下仍遠遠不能滿足。它們在鋅空氣系統(tǒng)中的實施還因稀有金屬和由此產(chǎn)生的高成本而受到困擾[19]。為了在商業(yè)上可行，同時在同一空氣電極上實現(xiàn)ORR和OER的催化效率，已經(jīng)廣泛地尋求不含鋅的雙功能催化劑用于實用的鋅空氣電池。然而，主要由于在放電和充電過程中ORR/OER電勢的寬操作范圍，在不顯著犧牲雙功能催化效率的情況下找到穩(wěn)定的催化劑材料仍然是非常具有挑戰(zhàn)性的。1.2.2電解水水電解通過析氫反應（HER）和析氧反應（OER）從水中產(chǎn)生產(chǎn)生氫氣（H2）
青島科技大學研究生學位論文5和氧氣（O2）。在陽極，水伴隨質(zhì)子和電子分解為氧氣。在陰極，氫氣通過質(zhì)子和電子的復合而放出。迄今為止，由于其能量轉(zhuǎn)換效率高，可忽略的環(huán)境污染以及潛在的廣泛應用，這種能量轉(zhuǎn)換技術(shù)已引起廣泛關注[20-22]。如圖典型的電解槽由三部分組成：水性電解質(zhì)，陽極和陰極（圖1-3）。雙功能HER-OER催化劑同時應用于陽極和陰極，以加快整個水分解反應的速度。當在兩個電極之間施加外部電壓時，OER和HER分別出現(xiàn)在陽極和陰極[21]。根據(jù)進行水分解的電解質(zhì)，水分解反應的描述如下[23]：總反應：H2O→H2+1/2O2（1-4）酸性溶液中，陰極反應：2H++2e-→H2（1-5）陽極反應：H2O→2H++1/2O2+2e-（1-6）中性或堿性溶液中，陰極反應：2H2O+2e-→H2+2OH-（1-7）陽極反應：2OH-→H2O+1/2O2+2e-（1-8）圖1-3基于雙功能活性催化劑上發(fā)生的電化學氫和氧逸出反應的酸性水電解槽及其運行原理的示意圖[23]。Fig1-3Schematicillustrationofacidicwaterelectrolyzeranditsoperatingprinciplebasedontheelectrochemicalhydrogenandoxygenevolutionreactionoccurringonabifunctionalcatalysts.
本文編號：2968676
【文章來源】：青島科技大學山東省
【文章頁數(shù)】：97 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
水性和非水性金屬空氣電池中各種金屬陽極的理論比能量，體積能量密度和標稱電池電壓[14]
劑來加速該過程。對于可充電鋅空氣電池，每個主要結(jié)構(gòu)部件都面臨著自己的挑戰(zhàn)。對于空氣電極，很難找到促進兩個氧化還原反應的催化劑，從而限制了鋅空氣電池的功率密度。此外，空氣中的二氧化碳（CO2）會與堿性電解質(zhì)發(fā)生碳酸化反應，從而改變了電池內(nèi)部的反應環(huán)境。碳酸鹽副產(chǎn)物可能會堵塞氣體擴散層的孔隙，從而限制了通向空氣的通道。對于隔膜，尋找一種在堿性環(huán)境中堅固但又允許氫氧根離子流動而同時阻止鋅離子的材料具有挑戰(zhàn)性。對于鋅金屬電極，很難控制鋅的不均勻溶解和沉積，這是枝晶形成和形狀變化的主要原因。圖1-2充電式鋅空氣電池示意圖[14]。Fig1-2Schematicillustrationofrechargeablezinc-airbattery.因此，需要雙功能催化劑以將ORR和OER動力學提高到鋅空氣電池中的實際可用水平。鉑（Pt）對ORR表現(xiàn)出優(yōu)異的活性，但對OER則表現(xiàn)出較差的性能，這是由于形成了具有低電導率的穩(wěn)定氧化物層[17]。貴金屬氧化物，例如釕（Ru）和銥（Ir）氧化物，雖然是出色的OER催化劑，但對ORR的活性較低[18]。尤其是，現(xiàn)有的貴金屬基催化劑的耐用性在可充電鋅空氣電池操作下仍遠遠不能滿足。它們在鋅空氣系統(tǒng)中的實施還因稀有金屬和由此產(chǎn)生的高成本而受到困擾[19]。為了在商業(yè)上可行，同時在同一空氣電極上實現(xiàn)ORR和OER的催化效率，已經(jīng)廣泛地尋求不含鋅的雙功能催化劑用于實用的鋅空氣電池。然而，主要由于在放電和充電過程中ORR/OER電勢的寬操作范圍，在不顯著犧牲雙功能催化效率的情況下找到穩(wěn)定的催化劑材料仍然是非常具有挑戰(zhàn)性的。1.2.2電解水水電解通過析氫反應（HER）和析氧反應（OER）從水中產(chǎn)生產(chǎn)生氫氣（H2）
青島科技大學研究生學位論文5和氧氣（O2）。在陽極，水伴隨質(zhì)子和電子分解為氧氣。在陰極，氫氣通過質(zhì)子和電子的復合而放出。迄今為止，由于其能量轉(zhuǎn)換效率高，可忽略的環(huán)境污染以及潛在的廣泛應用，這種能量轉(zhuǎn)換技術(shù)已引起廣泛關注[20-22]。如圖典型的電解槽由三部分組成：水性電解質(zhì)，陽極和陰極（圖1-3）。雙功能HER-OER催化劑同時應用于陽極和陰極，以加快整個水分解反應的速度。當在兩個電極之間施加外部電壓時，OER和HER分別出現(xiàn)在陽極和陰極[21]。根據(jù)進行水分解的電解質(zhì)，水分解反應的描述如下[23]：總反應：H2O→H2+1/2O2（1-4）酸性溶液中，陰極反應：2H++2e-→H2（1-5）陽極反應：H2O→2H++1/2O2+2e-（1-6）中性或堿性溶液中，陰極反應：2H2O+2e-→H2+2OH-（1-7）陽極反應：2OH-→H2O+1/2O2+2e-（1-8）圖1-3基于雙功能活性催化劑上發(fā)生的電化學氫和氧逸出反應的酸性水電解槽及其運行原理的示意圖[23]。Fig1-3Schematicillustrationofacidicwaterelectrolyzeranditsoperatingprinciplebasedontheelectrochemicalhydrogenandoxygenevolutionreactionoccurringonabifunctionalcatalysts.
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