面對(duì)越來越嚴(yán)重的能源和環(huán)境危機(jī),高效無污染的能量轉(zhuǎn)換裝置,如燃料電池、金屬空氣電池等,已成為目前的研究重點(diǎn)。然而,陰極氧還原（ORR）動(dòng)力學(xué)過程的滯后性是影響其商業(yè)化應(yīng)用的重要因素。目前,已商業(yè)應(yīng)用的ORR催化劑為鉑（Pt）催化劑,其不僅儲(chǔ)量有限、價(jià)格昂貴,而且穩(wěn)定性差。因此,研究和開發(fā)高效且價(jià)格低的非貴金屬ORR催化劑是實(shí)現(xiàn)上述能量轉(zhuǎn)換裝置大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的前提。過渡金屬-氮原子摻雜多孔碳材料（M-N-C）因具有成本低、性能高且穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)而備受研究者的青睞。金屬有機(jī)框架（MOFs）具有很多優(yōu)勢(shì),如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比表面積高、孔結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)等,以其作為前驅(qū)體高溫?zé)峤獾玫降慕饘?氮摻雜多孔碳材料在電化學(xué)催化領(lǐng)域有著出色的表現(xiàn)。本文以鋅基沸石類咪唑框架（ZIFs）為前驅(qū)體,通過可控?fù)诫s和維度調(diào)控的方法提高Fe活性位的分散性,一步碳化得到兩種高效的鐵基氮摻雜多孔碳ORR催化劑,主要研究成果如下:（1）通過價(jià)態(tài)調(diào)控設(shè)計(jì)和構(gòu)筑出了一種具有規(guī)則截角十二面體形貌的高效ORR電催化劑。利用銅片通過簡單的離子反應(yīng)(2Fe³⁺+Cu=Cu²⁺+2Fe^2+<... 

【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

PEMFC的結(jié)構(gòu)組成示意圖[15]

掌?蛩?⑸?緦曳從Γ?話慊夠岬閎際褂玫撓謝?緗?質(zhì)，發(fā)生爆炸。同時(shí)，鋰資源有限且成本高，大部分鋰來源于澳大利亞和智利的天然礦床中[23]。相比于鋰空氣電池的高成本和高危險(xiǎn)，鋅空氣電池則顯得更具有發(fā)展前景[24]。鋅在地殼含量中排第四，其礦藏量是金屬鋰的300多倍，鋅空氣電池雖然理論比能量密度為1084Whkg-1，低于鋰空氣電池，但它使用不易燃的水溶性電解質(zhì)，安全性高，同時(shí)還具有低平衡電位、放電電壓平穩(wěn)、成本低、使用壽命長和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步促進(jìn)了鋅空氣電池在能源儲(chǔ)存市場上的蓬勃發(fā)展[25]。圖1-2鋅空電池的結(jié)構(gòu)示意圖[26]。Figure1-2.SchematicillustrationofZn-airbattery.[26]鋅空氣電池的結(jié)構(gòu)組成如上圖所示，由陽極金屬板、隔膜、空氣電極和電解液組成。其中空氣電極一般由三個(gè)部件構(gòu)成：集電器、氣體擴(kuò)散層和催化劑活化層。集電器通常是泡沫鎳，要具有一定的導(dǎo)電性。氣體擴(kuò)散層主要作用是轉(zhuǎn)移氧氣，一般采用多孔碳材料和PTFE混合物[27]，其特征為具有較高的比表面積且是疏水的。催化劑層是ORR反應(yīng)的反應(yīng)場所，是影響鋅空電池工作效率的關(guān)鍵因素[28]。鋅與酸性溶液發(fā)生反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致陽極金屬板的嚴(yán)重腐蝕[29]，因此，常用的電解液是為KOH和NaOH溶液，與NaOH相比，KOH更為常見，因?yàn)殁淃}的具有更高的溶解度和氧氣擴(kuò)散系數(shù)，粘度較低且鉀離子的離子導(dǎo)電率也優(yōu)于鈉離子[30]。鋅空電池反應(yīng)由陽極Zn的氧化反應(yīng)和陰極發(fā)生的ORR反應(yīng)兩部分組成。

12人提出來后，已有大量科研工作者報(bào)道了具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和孔徑的MOFs。與傳統(tǒng)孔結(jié)構(gòu)豐富的材料相比，MOFs擁有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如比表面積大、孔徑可調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及可調(diào)節(jié)性、易被修飾和功能化等，在藥物運(yùn)輸[67]、氣體吸附與分離[68]、催化[69]、能量存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)換[70-71]等多個(gè)領(lǐng)域顯示出優(yōu)良的性能和應(yīng)用價(jià)值。不同種類的MOFs往往含有不同的金屬中心和有機(jī)配體。按照有機(jī)配體及結(jié)構(gòu)的差別，MOFs主要包括以下幾類：網(wǎng)狀金屬有機(jī)框架材料（IRMOF）、類沸石咪唑酯框架材料（ZIF）、多孔金屬配位聚合物框架材料（PCP）、拉瓦希爾框架材料（MIL）、孔-通道式框架材料（PCN）[72-73]。類沸石咪唑酯框架材料（ZIFs）是由過渡金屬離子（Zn2+和Co2+）與咪唑有機(jī)鏈配位形成的具有周期性的有序晶體框架，類似于沸石的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與其他MOFs相比，ZIFs不僅具有比表面積大、孔徑可調(diào)及較好的化學(xué)穩(wěn)定性等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它的有機(jī)配體（咪唑配位基）還含有豐富的N源，這也是它在催化、能量存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)化領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的一點(diǎn)[74]，下圖1-3為ZIFs典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖及不同類型的ZIF衍生物在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用。圖1-3ZIFs典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同類型的ZIF衍生物在各個(gè)催化領(lǐng)域的應(yīng)用[74]。Figure1-3.IllustrationoftypicaltopologiesofZIFsanddifferentkindsofZIF-derivedmaterialsaselectrocatalystsinvariousareas[74].

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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