鋅-空氣電池由于比能量密度大、安全性高和資源豐富等而受到廣泛關(guān)注,然而合成高效的非貴金屬電催化劑和解決空氣電極極化嚴(yán)重問題是推廣鋅-空氣電池應(yīng)用的迫切而又具有挑戰(zhàn)性的課題。本論文主要從提高催化劑活性及穩(wěn)定性和優(yōu)化空氣電極制備工藝兩個方面出發(fā),關(guān)鍵是比較和分析相關(guān)參數(shù)以改善空氣電極的放電性能。首先采用簡單的一步熱解法,在碳化過程中將雜原子磷（P）摻雜到花狀雙金屬（Co/Zn）金屬-有機骨架化合物（MOFs）衍生的鈷、氮共摻雜多孔碳類催化劑（Co-N-C）中,制備出三維多孔Co@Co-NPC。改變P相對于催化劑的摻雜量,對Co-N-C材料進行摻雜改性。通過物理表征和旋轉(zhuǎn)圓盤電極等電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn):當(dāng)P的摻雜量為0.5%時,得到的3D-Co@Co-NPC-6具有良好的甲醇耐受性和循環(huán)穩(wěn)定性,優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑,其半波電位為0.872 V,極限擴散電流密度為4.78mA cm^-2。另外P的摻雜對氧析出催化活性的提升也有極大貢獻,說明雜原子P的摻雜可以有效提高Co-N-C催化劑的活性及穩(wěn)定性。當(dāng)采用3D-Co@Co-NPC為催化劑組裝鋅-空氣電池時,開路電位為1.486 ... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

單原子分散的MnN4活性位點的形成示意圖[33]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文14他兩層的中間，或與氣體擴散層放在一起，共同為氣液傳質(zhì)及三相電化學(xué)反應(yīng)過程提供有效的通道和場所。圖1-6空氣電極基本結(jié)構(gòu)[59]1.5.2空氣電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化長期以來對空氣電極的研究重點以及難點一直是催化劑材料的開發(fā)、改性等，包括碳載體腐蝕性研究、活性位點的設(shè)計和各種前驅(qū)體材料的制作方法，還有擴散層工藝的優(yōu)化，相對很少對集流體結(jié)構(gòu)進行改進。這是因為擴散層和集流體的功能有所重疊。擴散層主要是提供一個物理支撐，并且更好地保證氧氣的擴散以及防止漏液。集流體在相當(dāng)大程度上被用為催化層的骨架，需要具備高導(dǎo)電性、耐腐蝕性、高透氣性以及良好的延展性和力學(xué)強度，最主要的是能匯集微電流并將電流導(dǎo)出。但是作為三相電化學(xué)反應(yīng)的器件，還需具有良好的疏水性和導(dǎo)電性。從而一些研究人員在空氣電極制作流程中將集流體及擴散層結(jié)合在一起。將擴散層制成金屬網(wǎng)格/泡沫制成的多孔薄膜，暴露于外部環(huán)境的一面進一步涂上疏水性聚合物，如氟化聚乙烯（PVDF或PTFE）或聚乙丙烯，以獲得疏水性表面，有助于提供氣相通道和消除漏液影響等。但是這樣做也會產(chǎn)生弊端，這是因為雖然集流體和擴散層的作用存在著交叉性，二者的主要作用——提供電極支撐和氣相傳輸通道，卻需要強弱不同的疏水性程度。集流體置于擴散層內(nèi)部，與催化層相鄰，同時需要保證疏水性氣孔和親水性液孔的數(shù)量均衡，便于氧氣和電解液及時進到催化劑周圍實現(xiàn)三相界面。但擴散層主要作用是防止電解液泄露和提供氣體通道，要求有強的疏水性。在高溫和強堿條件下，擴散層的疏水性很容易受到限制，從而導(dǎo)致電池性能的明顯下降[62]。因此，主要從孔道結(jié)構(gòu)出發(fā)改善影響因素，既能保證集流體的低電阻率和氣體滲

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文1910oCmin-l，勻速通入Ar氣，950oC下保持2h，得到最終產(chǎn)物，記為Co@Co-NC。2.3.33D-Co@Co-NPC-X的制備通過一步熱解方法制備3D-Co@Co-NPC-X，將400mg的Co/Zn-MOF置于剛玉瓷舟中。在剛玉坩堝首端存在適量的NaH2PO2（分別為2mg、6mg和12mg），摻雜量如表2-3所示。將該剛玉瓷舟放入管式爐中，在950oC下以10oCmin-l的升溫速率退火2h，得到Co@Co-NPC。最終產(chǎn)品分別記為3D-Co@Co-NPC-2，3D-Co@Co-NPC-6和3D-Co@Co-NPC-12。具體實驗示意圖如圖2-1所示。表2-33D-Co@Co-NPC-X的實驗制備方案編號m(Co/Zn-MOF):m(NaH2PO2)摻雜量ω(P)/mass%縮寫1400:00Co@Co-NC2400:20.2%3D-Co@Co-NPC-23400:60.5%3D-Co@Co-NPC-64400:121.0%3D-Co@Co-NPC-12如圖2-1所示3D-Co@Co-NPC-X制備示意圖。圖2-13D-Co@Co-NPC-X制備示意圖2.4空氣電極的制備4mg活性炭、1mg乙炔黑、和2.5mg催化劑溶于異丙醇，再滴加Nafion（5%，8μL）后，通過1h的超聲形成均相催化劑墨水。經(jīng)乙醇超聲洗滌后，泡沫鎳在80

【參考文獻】：
期刊論文
[1]磷摻雜的介孔碳材料作為高效氧還原電催化劑（英文）[J]. 趙揮,胡忠攀,朱運培,葛麗,袁忠勇.  Chinese Journal of Catalysis. 2019(09)

博士論文
[1]氧還原和氧析出電催化劑的制備及性能研究[D]. 孫薇.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2019
[2]雜原子摻雜石墨烯的合成及氧電極催化性能研究[D]. 李容.重慶大學(xué) 2015

碩士論文
[1]過渡金屬和雜原子修飾的碳材料的制備及電催化性能研究[D]. 宋開緒.長春理工大學(xué) 2019
[2]雜原子摻雜三維多孔石墨烯的制備及其電催化性能研究[D]. 成超.江蘇大學(xué) 2019
[3]鋁—空氣電池銀—鎳催化劑及催化層的制備與電化學(xué)性能研究[D]. 陳興.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2018
[4]鋅/空氣電池氧還原電極的研究[D]. 杜香龍.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 2018
[5]基于MOF的雜原子摻雜孔狀碳材料的制備及其電化學(xué)性能研究[D]. 薛娟紅.長春理工大學(xué) 2017
[6]鋅空氣電池空氣電極的研究[D]. 王輝.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2006



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