氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）是金屬-空氣電池以及燃料電池的關(guān)鍵反應(yīng)。陰極催化劑決定了器件的功率密度。雖然貴金屬（如Pt）和金屬氧化物（如RuO₂和IrO₂）是ORR和OER最有效和最廣泛使用的催化劑,但它們的高成本,對甲醇的低耐受性和有限的穩(wěn)定性顯著阻礙了它們在大規(guī)模能源設(shè)備中的應(yīng)用。因此,開發(fā)具有高活性和強(qiáng)耐久性的低成本催化劑對ORR和OER極為重要。分級多孔碳材料因其良好的導(dǎo)電性能和獨特的網(wǎng)絡(luò)多級孔道結(jié)構(gòu)對電解液的浸潤、電催化傳質(zhì)過程及電化學(xué)性能提升起到關(guān)鍵作用,而廣泛應(yīng)用于化學(xué)儲能及動力電池器件等新能源領(lǐng)域。多孔碳納米材料具有相互連通的多級孔道結(jié)構(gòu),不僅可以縮短離子在碳材料中的傳輸距離,而且碳基質(zhì)還提供了一個連續(xù)快速電子傳輸?shù)穆窂?且其結(jié)構(gòu)互連性保證了該材料具有更高的電導(dǎo)率和更好的機(jī)械穩(wěn)定性。因此,開發(fā)過程簡易以及催化活性高的納米多孔碳材料制備技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。本論文從構(gòu)建新型、高效的生物質(zhì)碳基電催化劑方面進(jìn)行了研究,具體內(nèi)容如下:1.通過直接轉(zhuǎn)化天然生物質(zhì)桉木制備了具有高強(qiáng)度,多級孔隙結(jié)構(gòu)氮摻雜催化劑。通過使用酶選... 

【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：210 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

基于電催化的可持續(xù)能源格局[1]

第一章緒論321%的氧氣。氧氣可以通過植物的光合作用不斷產(chǎn)生，因此，金屬-空氣電池正極有著無限的容量。其次，作為活性物質(zhì)的氧氣處于金屬-空氣電池的外部，進(jìn)一步提高了金屬-空氣電池的理論比能量。（2）相比于其他類型電池，金屬-空氣電池的性能也更加穩(wěn)定。金屬-空氣電池能工作在較高的電流密度下，如果將作為空氣電極活性物質(zhì)的氧氣濃度提升，則可以在更高的電流密度下工作。圖1-2金屬-空氣電池中各種金屬陽極的理論比能，體積能量密度和標(biāo)稱電池電壓[14]Fig.1-2Theoreticalspecificenergies,volumetricenergydensities,andnominalcellvoltagesforvariousmetalanodesinaqueousandnon-aqueousmetal-airbatteries[14]金屬-空氣電池中各種金屬陽極的理論比能（即質(zhì)量能量密度）、體積能量密度和標(biāo)稱電池電壓，如圖1-2所示。對于二次金屬-空氣電池，金屬鋰被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N陽極材料，因為它具有最高的理論比能（5928Whkg-1）和高電池電壓（標(biāo)稱2.96V）。然而，當(dāng)其暴露于空氣和含水電解質(zhì)時，金屬鋰具有不穩(wěn)定性的缺點[10]。鎂和鋁-空氣電池都與含水電解質(zhì)兼容，并且具有與鋰-空氣電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏�。然而，它們的低還原電位通常會導(dǎo)致電池快速自放電和較低的庫侖效率[11]。鋅和鐵可以更穩(wěn)定地在水系電解液中充電，其中，鋅因其在水系金屬-空氣電池中具有更高的能量密度和電池電壓而受到更多的關(guān)注。同時鋅在地殼中含量豐富且價格低廉。更重要的是，鋅-空氣電池具有相對高的理論比能量密度（1218Whkg-1）和與鋰-空氣電池相當(dāng)?shù)捏w積能量密度（6136WhL-1）。高體積能量密度對于移動和便攜式設(shè)備（如電動汽車和個人電子設(shè)備）

沙淶縲?空氣電池可分為機(jī)械可充電式和電力可充電式。機(jī)械充電的鋅-空氣電池，是通過去除廢鋅并重新供應(yīng)新的鋅陽極來實現(xiàn)對電池充電。這避免了鋅電極可逆性差和雙功能空氣電極不穩(wěn)定的問題。然而，由于建立鋅供應(yīng)站網(wǎng)絡(luò)的高成本，這個理念從未被廣泛采用。最成功的電力可充電鋅-空氣電池采用流動電解質(zhì)設(shè)計，大大提高了鋅電極的耐用性。但由于空氣電極上的氧還原反應(yīng)具有較大的熱力學(xué)阻力導(dǎo)致它的功率密度較低，如何提高其功率密度是一直以來待解決的一個問題。此外，在充電反應(yīng)期間空氣電極的腐蝕是另外一個關(guān)鍵問題。圖1-3一種水系可充電鋅空氣電池充電狀態(tài)示意圖[14]Fig.1-3Schematicofanaqueousrechargeablezinc-airbatteryatchargingstatus[14]鋅-空氣電池通常由四個主要組件組成：空氣電極，包括具有催化劑涂層的氣體擴(kuò)散層(GDL)、堿性電解質(zhì)、分離隔膜和鋅電極[16,17]�？沙潆婁\-空氣電池的原理如圖1-3所示。在放電過程中，鋅-空氣電池在堿性電解液存在的情況下，通金屬過鋅與空氣電極的電化學(xué)耦合，起到發(fā)電的作用。鋅電極釋放的電子通過外部負(fù)載到達(dá)空氣電極，失去電子的鋅生成鋅離子。同時，大氣中的氧擴(kuò)散到多孔的空氣電極中，在氧(氣體)、電解質(zhì)(液體)、電催化劑(固體)的界面處，通過氧還原反應(yīng)，還原為氫氧根離子。生成的氫氧根離子從陰極遷移到鋅電極，形成鋅酸鹽(Zn(OH)42-)離子，然后進(jìn)一步分解為氧化鋅（ZnO）。在充電過程中，鋅-空氣電池能夠通過發(fā)生在電極-電解質(zhì)界面的氧析出反應(yīng)(OER)儲存電能，而鋅沉積在鋅電極表面。總的反應(yīng)可以簡單地描述為Zn與O2結(jié)合形成ZnO[18,19]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Sulphur-doped ordered mesoporous carbon with enhanced electrocatalytic activity for the oxygen reduction reaction[J]. Liping Wang,Weishang Jia,Xiaofeng Liu,Jingze Li,Maria Magdalena Titirici.  Journal of Energy Chemistry. 2016(04)
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博士論文
[1]質(zhì)子交換膜燃料電池非貴金屬陰極催化劑的制備及性能研究[D]. 林玲.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017
[2]多孔碳材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控、功能化及電催化應(yīng)用研究[D]. 李冕.東北師范大學(xué) 2017
[3]生物質(zhì)衍生摻雜碳基催化劑的制備及其氧還原電催化性能的研究[D]. 劉芳芳.華南理工大學(xué) 2015



本文編號：3056761