不斷增長的能源需求激發(fā)了人們對低成本、可再生清潔能源技術的濃厚興趣,如金屬-空氣電池和燃料電池。電催化氧還原反應作為這些清潔能源裝置的陰極半反應,一定程度上決定了這些能源器件的性能。但是,氧還原反應復雜的四電子反應機理導致其動力學過程非常遲緩,嚴重影響了化學能源器件的能量轉化效率。因此,開發(fā)高效的氧還原催化劑來提高陰極反應效率是十分必要的。鐵-氮-碳（Fe-N-C）材料作為一種具有高度類鉑活性的廉價替代材料,最近引起了人們的極大興趣。盡管活性位點FeN₄結構的電子組態(tài)在很大程度上決定了鐵-氮-碳催化劑的氧還原反應動力學,但通過對其電子結構調制來進一步實現鐵-氮-碳催化劑本征活性的提升仍缺乏有效的策略。MXenes作為一種新的二維材料體系,具有高導電性、良好的表面親水性和電負性以及機械穩(wěn)定性。特別地,通過改變MXenes的晶體結構和表面端基的變化,可以調控其獨特的電子結構,從而賦予了MXenes近表面化學環(huán)境對催化劑的電子結構的可調性。此外,由于特殊的形貌結構,它們還可以作為電催化反應過程中的電荷儲存站,從而保證電化學反應高效持續(xù)的進行。因此,MXenes是一種有前... 

【文章來源】：武漢理工大學湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數】：80 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

基于電催化的可持續(xù)能源示意圖[2]

4圖1-2ORR電催化機制路徑。黑球代表催化劑的原子，紅球代表氧原子，白球代表氫原子，黃色箭頭表示OO鍵離解，藍色箭頭表示質子或電子轉移[20]（1）OO鍵直接斷裂，生成兩個O*中間體，然后分別還原為OH*和H2O，稱為離解途徑,具體反應途徑去下：O2+2*→2O*（1-7）2O*+2H++2e-→2OH*（1-8）2OH*+2H++2e-→2H2O+2*（1-9）（2）O2*首先耦合質子形成OOH*中間體，然后OO鍵被斷裂并還原為H2O，這種被稱為結合途徑，具體反應途徑如下：O2+2*→O2*（1-10）O2*+H++e-→OOH*（1-11）OOH*+H++e-→O*+H2O（1-12）O*+H++e-→OH*（1-13）OH*+H++e-→*+H2O（1-14）（3）O2*在OO鍵分裂前耦合兩個質子依次產生OOH*產生HOOH*，通過兩個電子還原，很有可能釋放H2O2。

5研究表明通過分析反應過程的自由能壘，可以得到氧氣還原的途徑類型。密度泛函理論（DFT）模擬表明，當催化劑表面氧密度較低時，O2離解途徑在催化劑具有最低的反應自由能壘，并且是整個ORR催化過程的決速步；當催化劑表面氧密度較高時，氧氣結合途徑具有最低能壘，也成為了ORR的主要機理途徑。此外，Norskov等人所提出的，各種中間體（例如O*、OOH*、OH*）的吸附可能也是ORR動力學上的關鍵步驟。一定的反應過程能壘，適度的氧氣以及一些中間體在催化劑表面的吸附能力對ORR的效率和性能起著至關重要的作用[21]。1.2.2電催化氧還原反應的應用1.2.2.1金屬-空氣電池圖1-3（a）金屬-空氣電池的結構以及原理示意圖；（b）金屬-空氣電池類型[7]由于其超高的理論輸出能量，金屬-空氣電池是一種在應用于下一代電子產品、電氣化運輸和智能電網儲能領域具有廣闊前景的二次能源轉換裝置，使人們對其產生了很高的期望以及濃厚的研究興趣。圖1-3a展示了金屬-空氣電池的內部結構以及原理示意圖。金屬-空氣電池最突出的特點是結合了高能量密度的金屬陽極和開放式結構的空氣電極，從空氣中提取陰極活性材料（即氧氣）[7,8,22]。圖1-3b展示了常見的幾種金屬-空氣電池類型。在不同類型的金屬-空氣電池中，一次鋅-空氣電池已作為助聽器電池商業(yè)化；鋁-空氣和鎂-空氣電池也在軍事應用中，并作為鹽水系統正在開發(fā)中。金屬-空氣電池由金屬陽極、空氣陰極和浸泡在金屬離子導電電解質中的分離器組成[7]。在基礎化學學科中，當電池放電時，金屬陽極被氧化并釋放電子到外部電路。同時，O2擴散到陰極，接收電子，并還原為含氧物質。解離的金屬離子和氧

【參考文獻】：
期刊論文
[1]BP世界能源展望（2018年版）發(fā)布[J]. 李春梅.  中國能源. 2018(04)



本文編號：3376977