發(fā)布時(shí)間：2021-01-10 12:07

　　對(duì)清潔能源日益增長(zhǎng)的需求引發(fā)了對(duì)高效,廉價(jià)和無(wú)毒的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備的深入研究。氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）是燃料電池,水分解和各種可充電電池的重要電化學(xué)過程。然而,開發(fā)具有增強(qiáng)的電化學(xué)性能的實(shí)用電催化劑仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。鉑基電催化劑是迄今最有效的ORR催化劑。對(duì)于OER,基于銥和釕的氧化物的電催化劑被認(rèn)為是最有效的催化劑。但是,由于這些材料價(jià)格昂貴,穩(wěn)定性差以及不容易反應(yīng)的惰性中間體,限制了其大規(guī)模的應(yīng)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�；诖�,本論文主要以金屬有機(jī)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(xì)研究了合成的電催化劑的優(yōu)異性能和這種性能的來(lái)源并進(jìn)行了應(yīng)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(fù)載金屬氫氧化物,... 

【文章來(lái)源】：青島科技大學(xué)山東省

【文章頁(yè)數(shù)】：97 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)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(yáng)極的理論比能量，體積能量密度和標(biāo)稱電池電壓[14]

劑來(lái)加速該過程。對(duì)于可充電鋅空氣電池，每個(gè)主要結(jié)構(gòu)部件都面臨著自己的挑戰(zhàn)。對(duì)于空氣電極，很難找到促進(jìn)兩個(gè)氧化還原反應(yīng)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(huì)與堿性電解質(zhì)發(fā)生碳酸化反應(yīng)，從而改變了電池內(nèi)部的反應(yīng)環(huán)境。碳酸鹽副產(chǎn)物可能會(huì)堵塞氣體擴(kuò)散層的孔隙，從而限制了通向空氣的通道。對(duì)于隔膜，尋找一種在堿性環(huán)境中堅(jiān)固但又允許氫氧根離子流動(dòng)而同時(shí)阻止鋅離子的材料具有挑戰(zhàn)性。對(duì)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(dòng)力學(xué)提高到鋅空氣電池中的實(shí)際可用水平。鉑（Pt）對(duì)ORR表現(xiàn)出優(yōu)異的活性，但對(duì)OER則表現(xiàn)出較差的性能，這是由于形成了具有低電導(dǎo)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(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足。它們?cè)阡\空氣系統(tǒng)中的實(shí)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(shí)在同一空氣電極上實(shí)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(shí)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(shì)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(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）從水中產(chǎn)生產(chǎn)生氫氣（H2）

青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文5和氧氣（O2）。在陽(yáng)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(fù)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(yīng)用，這種能量轉(zhuǎn)換技術(shù)已引起廣泛關(guān)注[20-22]。如圖典型的電解槽由三部分組成：水性電解質(zhì)，陽(yáng)極和陰極（圖1-3）。雙功能HER-OER催化劑同時(shí)應(yīng)用于陽(yáng)極和陰極，以加快整個(gè)水分解反應(yīng)的速度。當(dāng)在兩個(gè)電極之間施加外部電壓時(shí)，OER和HER分別出現(xiàn)在陽(yáng)極和陰極[21]。根據(jù)進(jìn)行水分解的電解質(zhì)，水分解反應(yīng)的描述如下[23]：總反應(yīng)：H2O→H2+1/2O2（1-4）酸性溶液中，陰極反應(yīng)：2H++2e-→H2（1-5）陽(yáng)極反應(yīng)：H2O→2H++1/2O2+2e-（1-6）中性或堿性溶液中，陰極反應(yīng)：2H2O+2e-→H2+2OH-（1-7）陽(yáng)極反應(yīng)：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(xué)氫和氧逸出反應(yīng)的酸性水電解槽及其運(yùn)行原理的示意圖[23]。Fig1-3Schematicillustrationofacidicwaterelectrolyzeranditsoperatingprinciplebasedontheelectrochemicalhydrogenandoxygenevolutionreactionoccurringonabifunctionalcatalysts.


本文編號(hào)：2968676