自20世紀(jì)末以來,我們面臨著巨大的能源危機(jī)和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染。因而節(jié)約有限能源、治理污染是當(dāng)務(wù)之急。電催化反應(yīng)在能源和環(huán)境領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用,尤其是一些新型的能量轉(zhuǎn)換裝置,如燃料電池、金屬-空氣電池和電解水池,其中涉及氧還原（ORR）、析氧（OER）和析氫（HER）三個(gè)電化學(xué)反應(yīng),由于其催化反應(yīng)中巨大的反應(yīng)能壘,通常需要使用催化劑來減少反應(yīng)勢壘,從而降低能耗。常用的催化劑都是貴金屬基材料如Pt/C、RuO₂、IrO₂等,但其價(jià)格昂貴且含量稀缺。為降低對貴金屬的依賴,開發(fā)價(jià)格低廉且性能優(yōu)異的非貴金屬基催化劑引起了研究者們的廣泛關(guān)注。以過渡金屬（Fe、Co、Ni等）為基礎(chǔ)的催化劑具有豐富的活性位點(diǎn)和高的導(dǎo)電性,在電催化科學(xué)中非常有潛力來代替貴金屬基催化劑,在本論文中,設(shè)計(jì)、制備了以下三種過渡金屬基電催化劑,并對其進(jìn)行了形貌、結(jié)構(gòu)表征和性能測試,在鋅-空氣電池和全水裂解的應(yīng)用中也展示了優(yōu)異的性能。（一）采用溶劑熱法合成了周環(huán)含有硫原子的雙金屬鐵鈷聚酞菁,在其表面進(jìn)行二氧化硅包覆,熱解后得到由Co₈FeS₈

【文章來源】：長春理工大學(xué)吉林省

【文章頁數(shù)】：64 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

鋅空氣電池工作原理示意圖

第1章緒論4圖1.2氧還原反應(yīng)的不同反應(yīng)途徑與催化劑表面產(chǎn)生的中間體1.2.3析氧反應(yīng)簡介析氧反應(yīng)（OER）是鋅-空電池空氣電極上的關(guān)鍵可逆半反應(yīng)，在很大程度上決定鋅-空電池的能量轉(zhuǎn)換效率，電極材料在陽極的OER動(dòng)力學(xué)特別緩慢，是電池效率損失的主要來源之一，而且OER也是催化全水分解的一個(gè)重要半反應(yīng)，因此需要特別的發(fā)展。近年來，高級的理論工具和計(jì)算研究已在原子級上對OER電催化的機(jī)制理解方面取得了重大進(jìn)展。同時(shí)，多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究在技術(shù)上探索了具有先進(jìn)性能和動(dòng)力學(xué)的新型催化材料。析氧反應(yīng)（OER）因其復(fù)雜的四電子過程及O–O鍵的生成和OH鍵的斷裂（堿性介質(zhì)：4OH–2H2O+O2+4e），這需要高的超電勢來克服高的動(dòng)能壘，所致的緩慢動(dòng)力學(xué)特征成為制約電池反應(yīng)整體效率的瓶頸。OER在酸性和堿性條件的OER機(jī)制如圖1.3所示，具體反應(yīng)過程如下[16]：酸性條件：陰極：4H++4e→2H2（E=0V）（1-8）陽極：2H2O（l）→O2（g）+4H++4e（E=1.23V）（1-9）堿性條件：陰極：4H2O+4e→2O2+4OH-（E=-0.83V）（1-10）陽極：4OH-→2O2+2H2O（l）+4e（E=-0.40V）（1-11）長久以來，高析氧活性的電催化劑通常是貴金屬Ir,Ru基材料。然而這兩種元素的稀有性決定了發(fā)展儲(chǔ)量豐富的過渡金屬族OER高活性催化劑的緊迫性。為了替代高價(jià)貴金屬及其氧化物（RuO2和IrO2）并用于OER電催化，許多過渡金屬催化劑由于其低成本、高活性和氧化條件下的穩(wěn)定性好而被廣泛研究。

第1章緒論5圖1.3酸性（藍(lán)線）和堿性（紅線）條件的OER機(jī)制[16]。1.2.4鋅-空氣電池催化劑的研究現(xiàn)狀在過去的研究中，人們對更高能量密度，更便宜和更安全的電池技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣，這刺激了人們對改進(jìn)可充電鋅-空氣電池開發(fā)的興趣。當(dāng)前的鋅-空氣電池的能源效率和循環(huán)壽命很差，這主要是由于鋅和空氣電極的可充電性差。為了在鋅陽極中實(shí)現(xiàn)高利用率和可循環(huán)性，采用了通過優(yōu)化的策略和替代活性材料的改建來構(gòu)造導(dǎo)電多孔骨架的方法。同樣，有必要設(shè)計(jì)新的和改進(jìn)的具有高活性和穩(wěn)定性的雙功能氧電催化劑，可提高電池能量效率和使用壽命。增加催化活性和雙功能活性位點(diǎn)數(shù)目對于改善空氣電極性能是有效的。這里，描述了可充電鋅-空氣電池在材料開發(fā)方面的最新關(guān)鍵進(jìn)展。通過提高對相關(guān)材料性能的基本了解可進(jìn)一步優(yōu)化電極催化劑。近年來，研究人員探索了多種非貴金屬基納米材料作為ORR/OER雙功能催化劑的可行性。常見的材料有過渡金屬氧化物[17-20]、過渡金屬硫化物[21-24]、過渡金屬氫氧化物[25-28]和過渡金屬磷化物[29-31]等。然而，這些材料均存在比表面積較低、導(dǎo)電能力較差等缺陷，與貴金屬催化劑相比，電催化活性仍然較低。據(jù)報(bào)道，如果將過渡金屬納米粒子嵌入到雜原子的碳材料（例如多孔碳材料[32-40]、石墨烯[41-48]、碳納米管[49-55]等）中，可以大大提高這些材料的電催化活性活性。2015年，MingxiaShen等人[56]利用軟模板媒介方法合成了共價(jià)包埋在氮摻雜介孔石墨化碳中的鈷-鐵雙硫化物（Co0.5Fe0.5S@N-MC）復(fù)合材料，合成方法如圖1.4所示，在氮摻雜的介孔石墨碳中共價(jià)鍵合雙金屬硫化物（Co0.5Fe0.5S）。結(jié)果證明，在立方相Co9S8中摻入Fe，鐵在雙金屬硫化物復(fù)合物中的適度取代和良好分散易于含氧物質(zhì)的良

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Synthesis of 3D Hexagram-Like Cobalt–Manganese Sulfides Nanosheets Grown on Nickel Foam: A Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting[J]. Jingwei Li,Weiming Xu,Jiaxian Luo,Dan Zhou,Dawei Zhang,Licheng Wei,Peiman Xu,Dingsheng Yuan.  Nano-Micro Letters. 2018(01)



本文編號：3012052