在享受科技進(jìn)步和工業(yè)發(fā)展成果的同時(shí),我們正面臨著日益嚴(yán)重的能源危機(jī)以及由傳統(tǒng)化石能源消耗所帶來的環(huán)境惡化。發(fā)展新型可再生清潔能源技術(shù),優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),保持經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,已經(jīng)成為關(guān)乎人類命運(yùn)的重大問題。其中,電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)器件憑借理論能量密度大、轉(zhuǎn)化效率高、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),得到了各界的關(guān)注。特別是燃料電池、金屬-空氣電池,被認(rèn)為是最具潛力的下一代電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)技術(shù)。然而,發(fā)生在氧電極表面的氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）作為此類電化學(xué)器件的核心反應(yīng),涉及多電子的轉(zhuǎn)移過程,反應(yīng)機(jī)理極其復(fù)雜,動(dòng)力學(xué)速度緩慢,嚴(yán)重限制了燃料電池和金屬-空氣電池的工作效率。研究表明,添加催化劑能夠降低反應(yīng)能量勢(shì)壘,提升反應(yīng)速率,從而改善其性能。目前,商業(yè)上通常使用Pt、Ir、Ru等貴金屬及其復(fù)合物作為ORR和OER催化劑,雖然具有很高的活性,但也存在著明顯的不足。貴金屬儲(chǔ)量少、價(jià)格高,增加了此類電化學(xué)器件的使用成本。此外,貴金屬基催化劑穩(wěn)定性差,對(duì)電解質(zhì)環(huán)境極為敏感,容易中毒而導(dǎo)致失活。這些問題在很大程度上影響了燃料電池和金屬-空氣電池的產(chǎn)業(yè)化布局。所以,開發(fā)廉價(jià)的具有高活性和穩(wěn)定性... 

【文章來源】：北京郵電大學(xué)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：108 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１－１幾種金屬價(jià)格與其地殼中相對(duì)含量關(guān)系圖（對(duì)應(yīng)Ｓｉ含量：１０６ａｔｏｍｓ）【３９１??

反應(yīng)生成Ｌｉ２０２。充電過程中電極反應(yīng)與放電過程相反，Ｌｉ＋離子被還??原，在金屬電極產(chǎn)生鋰沉積，同時(shí)在空氣電極釋放０２。其放電過程電極反應(yīng)方??程式為：??金屬鋰電極：??Ｌｉ?＾?Ｌｉ＋?＋?ｅ＇?（１－１２）??空氣電極：??０２?＋?ｅ?＾?０２＂?（１－１３）??Ｌｉ０２?＋?Ｌｉ＋?＋?ｅ＂?Ｌｉ２〇２?（１－１４）??２Ｌｉ〇２?￣＞?Ｕ２Ｏ２?＋?〇２?（１－１５）??總反應(yīng)為：??２Ｌｉ?＋?０２?＾?Ｌｉ２０２?（１－１６）??ｉ?ｉｌｌ議??圖１－５?（ａ）水系鋅－空電池和（ｂ）非水系鋰－空電池的構(gòu)造示意圖［５３】??金屬－空氣電池能量密度高、成本較離子電池低，具有廣闊的應(yīng)用前景，但??也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。以鋅－空電池為例，其理論能量密度為１２１８?Ｗｈ?ｋｇ＇實(shí)際??電池組能量密度不超過５００?Ｗｈ?ｋｇ—１。受限于氧催化劑活性，電池陰極反應(yīng)過電??勢(shì)較大，充放電能量效率不足６０％。并且其倍率性能不足，只能應(yīng)用于低功率器??件。由于雙效催化劑在交替ＯＲＲ、ＯＥＲ催化中耐久性差，對(duì)金屬－空氣電池的循??環(huán)穩(wěn)定性也帶來了嚴(yán)重影響［３３］。??１．３電化學(xué)催化反應(yīng)??７??

?第一章緒論???２Ｈ２０?－＞?０２?＋?４Ｈ＋?＋?４ｅ＼?Ｅ〇?＝?１．２２９?Ｖ?ｖｓ．?ＳＨＥ?（１－２４）??〇…、＋Ｈ＋?＾?．．?＋Ｈ２Ｏｍ??２（ｓ２?Ｍ?身?Ｈ＋＋ｅ－??］／０２（ｇ）?＋０Ｈ＾＼??＾＋ｈ２〇（Ｉ）?ｌ－?＼??ｆ＋〇ｗ?＼ｆ〇＾?＼??Ｍ－００Ｈ?Ｍ－ＯＨ??＼?Ｉ?＋ｏｈＪ??ｈ＋??圖１－９堿性（紅色線）和酸性（藍(lán)色線）電解質(zhì)中ＯＥＲ機(jī)理示意圖，黑色線表示中間體形??成過程，綠色線表示由Ｍ０直接轉(zhuǎn)化為０２的途徑［３（）］??與０ＲＲ相同，０ＥＲ是一個(gè)多步驟和多電子轉(zhuǎn)移的復(fù)雜過程。在０ＥＲ中，??每個(gè)〇２分子的產(chǎn)生需要四個(gè)電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，其動(dòng)力學(xué)過程通過多步反應(yīng)進(jìn)行，??每一步轉(zhuǎn)移一個(gè)電子。分步的能量積累致使０ＥＲ動(dòng)力學(xué)非常緩慢，這是導(dǎo)致其??過電位較大的重要原因。當(dāng)０ＥＲ為陽極反應(yīng)時(shí)，涉及金屬（Ｍ）與氧氣和中間??產(chǎn)物成鍵與斷裂（如，Ｍ－０、Ｍ－００Ｈ、Ｍ－０Ｈ），其機(jī)理更加復(fù)雜。針對(duì)０ＥＲ機(jī)??理的研究從未中斷，但我們難以從分子層面去精確探測(cè)反應(yīng)過程中間產(chǎn)物。各種??反應(yīng)機(jī)理先后被提出，其中多數(shù)認(rèn)同Ｍ０Ｈ和Ｍ０作為中間體的存在。如圖１－９??所示，對(duì)于Ｍ０轉(zhuǎn)變?yōu)椋埃驳姆绞街饕嬖趦煞N觀點(diǎn)：一種認(rèn)為，兩個(gè)Ｍ０直接??化合生成；另一種認(rèn)為，通過Ｍ００Ｈ中間體分解生成。盡管對(duì)于０ＥＲ的機(jī)理沒??有統(tǒng)一的解釋，但人們普遍認(rèn)為０ＥＲ催化是一種多相反應(yīng)，反應(yīng)中間產(chǎn)物ＭＯ、??ＭＯＨ、ＭＯＯＨ之間的Ｍ－０鍵合作用對(duì)整體催化活性至關(guān)重要［１４，３Ｇ］。陽極０ＥＲ??機(jī)理可歸納如下：??堿性電解液中：??Ｍ?＋?０Ｈ＿?—Ｍ０Ｈ?（１－２５）??Ｍ０Ｈ?＋?０Ｈ

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]A review of nanocarbons in energy electrocatalysis: Multifunctional substrates and highly active sites[J]. Cheng Tang,Maria-Magdalena Titirici,Qiang Zhang.  Journal of Energy Chemistry. 2017(06)
[2]Recent progress in rechargeable alkali metal-air batteries[J]. Xin Zhang,Xin-Gai Wang,Zhaojun Xie,Zhen Zhou.  Green Energy & Environment. 2016(01)



本文編號(hào)：3035957