鋅空氣電池具有能量密度高,原材料資源儲(chǔ)存豐厚,綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為繼鋰離子電池之后的又一綠色可充放動(dòng)力能源系統(tǒng)。然而,鋅空氣電池中空氣電極的氧還原（ORR）和氧析出（OER）動(dòng)力學(xué)反應(yīng)緩慢,需要高效催化劑來(lái)克服這一障礙。目前催化活性最好的貴金屬催化劑的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展受限于高昂的成本和稀缺的資源等缺點(diǎn)。因此,采用成本低廉,儲(chǔ)量豐富的非貴金屬材料發(fā)展高活性,高穩(wěn)定性的催化劑應(yīng)用于鋅空氣電池空氣電極具有極大的意義。眾多研究表明,對(duì)金屬有機(jī)框架化合物前驅(qū)體進(jìn)行高溫碳化所產(chǎn)生的碳載金屬原子,金屬氮化物和金屬氧化物等具有很好的氧電催化能力。因此,本論文以鈷基金屬有機(jī)框架化合物為基礎(chǔ),通過(guò)簡(jiǎn)單的方法合成Mn/Co-NC和Co-NC/G兩種雙功能催化劑,并對(duì)其進(jìn)行物理表征和電化學(xué)測(cè)試,具體研究工作如下:（1）以十二面體ZIF67為模板,通過(guò)溶液浸漬和高溫?zé)峤庵苽涑鯩n摻雜Co-NC雙功能催化劑,并探究了不同Mn/Co組分比例和不同碳化溫度對(duì)催化性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)Mn/Co摩爾比為0.02和碳化溫度為800℃時(shí),Mn/Co-NC催化劑性能最佳,其ORR半波電位僅為0.80 V且在10 mA cm

【文章來(lái)源】：暨南大學(xué)廣東省 211工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：83 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

鋅空氣電池的工作原理示意圖[6]

暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文3正極：-1H4OH4eO2O-22(1-2)電池總反應(yīng)：Zn2ZnOO22(1-3)電池電動(dòng)勢(shì)：))lg(/n(2.3031.646)lg()n/303.2(-1/2O1/2OZnO/Zn0OH/O022-2PFRTPFRTE(1-4)在常溫常壓下，即1atm25℃時(shí)，空氣中氧氣的分壓大約是大氣壓的20%，這時(shí)鋅空氣電池的理論電動(dòng)勢(shì)計(jì)算如下：1.636V)0.2g((0.059/2)l1.646)lg()n/303.2(646.11/21/2O2PFRTE(1-5)理論上，鋅空氣電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)為1.64V，但空氣電極的氧電極反應(yīng)很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的熱力學(xué)狀態(tài)，因此在實(shí)際電池測(cè)試中開(kāi)路電壓僅為1.40-1.45V左右，而且在實(shí)現(xiàn)鋅空氣電池的可充放電過(guò)程，充電電壓需要大于理論電壓，而放電電壓則小于理論電壓。在可充放鋅空氣電池中，電解液一般采用溶解有Zn2+的6MKOH電解質(zhì)溶液，主要是由于6MKOH溶液的電導(dǎo)率高；鋅負(fù)極主要采用鋅膏，鋅板和泡沫鋅等材料，電池充放電過(guò)程中的不可逆損耗主要是鋅材料的消耗，因此，優(yōu)化鋅材料也是提升電池性能的一個(gè)有效策略。而由擴(kuò)散層，集流層和催化層組成的空氣正極是鋅空氣電池最重要的組成部分，空氣正極的過(guò)電勢(shì)決定整個(gè)電池的電壓性能，過(guò)電勢(shì)的增大會(huì)降低電池的性能，降低過(guò)電勢(shì)的主要途徑是利用高效雙功能催化劑來(lái)加快氧還原(ORR)和氧析出(OER)的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)過(guò)程[14,15]。圖1-2氧還原反應(yīng)的機(jī)理示意圖[16]Fig.1-2Themechanismofoxygenreductionreaction[16].氧還原反應(yīng)(ORR)動(dòng)力學(xué)過(guò)程復(fù)雜，涉及到多步的基元反應(yīng)和多個(gè)中間體，

暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文4針對(duì)氧還原的反應(yīng)機(jī)理還沒(méi)有確切的說(shuō)明，目前提出的主要研究機(jī)理大致可以歸為兩種過(guò)程[16-20](如圖1-2中氧還原的機(jī)理示意圖)，一種為直接四電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，反應(yīng)過(guò)程中O2直接得到四個(gè)電子還原生成OH-；一種為兩電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，反應(yīng)過(guò)程中O2首先得到兩個(gè)電子被還原成H2O2，H2O2再得到兩個(gè)電子被還原成OH-。具體反應(yīng)過(guò)程如下，1-6式表示的四電子過(guò)程，1-7至1-9式表示的則是二電子過(guò)程，因此高效ORR反應(yīng)，主要反應(yīng)過(guò)程應(yīng)為四電子過(guò)程：--22HOH44eO2O(1-6)-2--22HOHOH2eOO(1-7)--2-2OHOH32eOH(1-8)2-1-2OOH2HO2(1-9)氧析出反應(yīng)(OER)是氧還原反應(yīng)的逆過(guò)程，也存在二電子和四電子過(guò)程，二電子反應(yīng)過(guò)程可直接生成O2是最理想的反應(yīng)途徑，但大多數(shù)OER過(guò)程都會(huì)伴隨M-OOH中間產(chǎn)物的生成，其中M代表的是催化劑表面的活性位點(diǎn)，即表明氧析出反應(yīng)為四電子過(guò)程，其示意圖如圖1-3所示，具體反應(yīng)過(guò)程如下[21]：MOHOHM-(1-10)OHMOOHMOH2-(1-11)--OOHOHMOeM(1-12)OHOMOHMOOH22-(1-13)圖1-3氧析出反應(yīng)的機(jī)理示意圖[21]Fig.1-3Themechanismofoxygenevolutionreaction[21].

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鋅-空氣電池空氣電極研究進(jìn)展[J]. 許可,王保國(guó).  儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù). 2017(05)
[2]金屬-空氣電池陰極雙功能催化劑研究進(jìn)展[J]. 王亞,來(lái)慶學(xué),朱軍杰,梁彥瑜.  化學(xué)研究. 2017(01)

博士論文
[1]基于金屬有機(jī)框架化合物設(shè)計(jì)制備碳基納米材料及其在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用[D]. 楊陽(yáng).中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2018
[2]非貴金屬電催化劑的合成及其性能研究[D]. 張顯.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2018

碩士論文
[1]過(guò)渡金屬基氮摻雜碳納米復(fù)合材料的制備及氧還原催化性能[D]. 李芮.大連理工大學(xué) 2018
[2]基于異原子摻雜碳材料的高性能鋅空氣電池研究[D]. 王夢(mèng)凡.蘇州大學(xué) 2017



本文編號(hào)：3407565