【摘要】：鋅-空電池具有高能量密度、低成本、操作安全等優(yōu)點(diǎn),在新能源發(fā)電儲能應(yīng)用和電動汽車等方面具有廣闊的發(fā)展前景。目前鋅-空電池的陰極催化材料以鉑等貴金屬為主,鑒于其價格昂貴,資源稀少,故開發(fā)性能優(yōu)異的鋅空氣電池陰極催化材料是實現(xiàn)電池商業(yè)化的關(guān)鍵。諸多研究表明,目前制備及優(yōu)化優(yōu)異鋅-空原電池的陰極催化材料的重點(diǎn)主要集中于對催化劑的形貌控制、孔結(jié)構(gòu)設(shè)計、活性位點(diǎn)設(shè)計等�；诖�,本文開展了以下兩個方面的工作:首先,利用高溫碳化方法,以ZnCl_2和KCl為模板,高溫?zé)峤忄彵蕉?制備了多孔氮摻雜的Fe/N/C催化劑,并且對模板鹽的加入比例以及碳化溫度進(jìn)行了探索。SEM、TEM、BET、CV等結(jié)果表明,ZnCl_2和KCl的比例為1:1,碳化溫度為800℃時,該催化劑具有優(yōu)異的孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成的三維傳輸通道,比表面積達(dá)到1100 cm~(-2) g~(-1),極大地增加了催化劑在三相界面的活性位點(diǎn)數(shù);XPS表明該催化劑具有高氮原子含量(11.3%);XRD和拉曼光譜結(jié)果表明該催化劑石墨化程度要優(yōu)于其他五種模板鹽比例和其他碳化溫度制備出的催化劑。電化學(xué)測試結(jié)果顯示,在堿性介質(zhì)中ORR半波電位為0.892 V,較商業(yè)Pt/C高32 mV,證明該催化劑在堿性介質(zhì)中有著良好的應(yīng)用前景。另一方面,制備出析氧催化劑Fe-Ni_2P納米片狀材料,對該材料進(jìn)行了物理表征,再與上章節(jié)中所制備的氧還原催化劑Fe/N/C材料進(jìn)行不同比例混合,探索最佳混合比例及其協(xié)同效應(yīng)。析氧催化劑物理表征表明,所制備的Fe-Ni_2P納米片狀材料整體呈現(xiàn)出有序、均勻的納米片層,在片上有著均勻的孔結(jié)構(gòu);XRD表明在350℃燒結(jié)后,P已經(jīng)成功摻雜進(jìn)入NiFe-LDH,得到Fe-Ni_2P材料;EDX能譜結(jié)果表明Ni與P的原子比例為2:1,Ni與Fe的原子比約為3:4,這也從側(cè)面證明了制備出的材料為Fe-Ni_2P納米片層材料;固定Fe-Ni_2P催化劑的載量,探索了氧還原催化劑Fe/N/C材料加入量對該催化劑析氧性能的影響,再固定氧還原催化劑Fe/N/C材料的載量,探索Fe-Ni_2P催化劑加入量對該催化劑的氧還原性能的影響,結(jié)果為當(dāng)Fe/N/C催化劑與Fe-Ni_2P催化劑加入比例為1:1時,氧還原性能與析氧性能同時達(dá)到最高,即Fe/N/C@50%Fe-Ni_2P催化劑;最后我們對Fe/N/C@50%Fe-Ni_2P雙功能進(jìn)行了可充電鋅空氣電池的恒電流充放電極化測試與循環(huán)測試,結(jié)果表明其充放電過電位總和低于貴金屬Pt/C-IrO_2催化劑,能量轉(zhuǎn)換效率與穩(wěn)定性都要高于貴金屬Pt/C-IrO_2催化劑,為該催化劑的商業(yè)化提供了可能性。
【圖文】：

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒 論鋅空氣電池包括三種類型，分別是一次電池、可充式鋅空電池和機(jī)械再充式電池[19]。一次電池只能經(jīng)過一次放電，放電完全后便不能繼續(xù)使用，無法再次充電，因為一次電池的放電電流小，適用于便攜電子設(shè)備上，價格便宜，方便便攜，能量密度也較大，目前已經(jīng)得到商業(yè)化應(yīng)用�？沙涫戒\空電池也可叫做二次鋅空電池，電池經(jīng)過放電后，可以通過再充電繼續(xù)使用，在充電過程中，電池會慢慢產(chǎn)生氧氣，經(jīng)過空氣電極向大氣中擴(kuò)散；另外負(fù)極在放電時會有氧化鋅生成，在充電時氧化鋅會逐漸的被重新還原成鋅，再次回到負(fù)極上，完成充放電循環(huán)過程。而機(jī)械再充式電池在很多文獻(xiàn)報道中都被稱為“可更換電極電池”，當(dāng)電池放電完全后,取出已被氧化的金屬電極,重新更換一個新的金屬電極[20]。同時也可以更換添加新的電解液,減少電解液的碳酸化等[21]，但是核心部分空氣電極不會有所消耗,仍然保留并可以長久使用。

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒 論11圖1.3 錳基氧化物的晶型結(jié)構(gòu)Figure 1.3 The crystalline structure of manganese oxide1.2.5 雙功能催化劑為了發(fā)展電化學(xué)可充電的二次金屬-空氣電池體系，需要開發(fā)雙功能催化劑，即能夠同時催化氧氣還原反應(yīng)和析氧反應(yīng)過程。在之前的研究中，大部分的催化劑的開發(fā)主要集中在通過減少貴金屬的載量進(jìn)而降低材料成本，，或者用非貴金屬或無金屬碳催化劑取代貴金屬催化劑[81]。如今新的催化劑研究工作致力于進(jìn)一步優(yōu)化雙功能催化劑的氧還原和析氧活性，以此來達(dá)到Pt基和Ir基貴金屬催化劑的標(biāo)準(zhǔn)。同時，研究人員也致力于雙功能催化劑混合或者復(fù)合結(jié)構(gòu)的開發(fā)，即由非貴金屬和非金屬碳材料組成的雙功能催化劑[82]。當(dāng)非貴金屬（如Co、Ni、La和Sr）與碳基材料結(jié)合在一起時，金屬的載量可以減少，但是雙功能催化劑的性能并沒有劇烈下降，這種混合催化劑的高催化活性主要?dú)w功于協(xié)同效應(yīng)，這使得混合催化劑的活性比單個組分的催化活性更高�；旌洗呋瘎┑膮f(xié)同作用主要是由于混合催化劑組成成分之間高度有利的相互作用。作為雙功能催化劑開發(fā)的一種延伸
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.41

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本文編號：2686508