發(fā)展和制備高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的電催化劑是實(shí)現(xiàn)高效能源轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的有效途徑之一。在目前已知的儲(chǔ)能裝置中,鋅-空氣電池（ZABs）由于具有低成本、容量大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而廣受研究。然而,陰極材料的緩慢動(dòng)力學(xué)反應(yīng)(氧還原（ORR）和氧析出（OER）阻礙了ZABs的進(jìn)一步發(fā)展。鉑或銥基納米材料是一類高效的ORR或OER催化劑,但其廣泛商業(yè)應(yīng)用仍然受到其高成本和低耐久性的限制。因此,開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)、雙功能ORR/OER的ZABs陰極催化劑材料迫在眉睫。過(guò)渡金屬基材料滿足及高效的氧電催化反應(yīng)要求,是研究者普遍認(rèn)為的一種雙功能催化劑,而對(duì)其納米結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)可以有效改善材料的導(dǎo)電性和催化活性,從而進(jìn)一步優(yōu)化其氧電催化性能。本文通過(guò)表界面工程,通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)渡金屬基多相結(jié)構(gòu)來(lái)改善材料的電子結(jié)構(gòu)和氧電催化性能,從而實(shí)現(xiàn)其在ZABs中的高效利用。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:1.制備了N摻雜石墨烯（N-C）包覆的FeNi合金催化劑。由于其特殊的核殼結(jié)構(gòu),FeNi@N-C作為氧電催化劑具有優(yōu)異的雙功能OER和ORR電催化活性。FeNi@N-C基的液態(tài)鋅-空氣電池的開路電壓可達(dá)到1.48 V。并且在電流密度為20 ... 

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

各種可充和金屬空氣電池的重量能量密度和體能量密度[37]

蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文過(guò)渡金屬基材料在鋅-空氣電池中的應(yīng)用3幾年后，Walker采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的氣體擴(kuò)散電極，氫氧化鉀作為電解液，鎳和炭黑作為多孔氣體擴(kuò)散電極組裝成Walker–Wilkins電池[41]。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)空氣中的氧氣是該類空氣電池的反應(yīng)物，并且對(duì)大比表面積和高化學(xué)活性的空氣電極材料產(chǎn)生了更清晰的認(rèn)知。從20世紀(jì)30年代開始，隨著氣體擴(kuò)散電極的不斷改進(jìn)和發(fā)展，一種初級(jí)鋅空氣電池被應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)，并在70年代應(yīng)用于助聽器中。如今，鋅空氣電池的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到地震遙測(cè)，鐵路信號(hào)，導(dǎo)航浮標(biāo)，遠(yuǎn)程通信，電動(dòng)汽車和電網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域[42-44]。由于鋅的不均勻沉積，特別是空氣電極上的析氧反應(yīng)(OER)和氧還原反應(yīng)(ORR)的緩慢反應(yīng)速率，阻礙了可充電鋅空氣電池的的進(jìn)一步發(fā)展[17]。雖然，從1975年到2000年，有很多關(guān)于鋅空氣電池的研究，但是在20世紀(jì)末，鋰離子電池的出現(xiàn)和快速的發(fā)展，削弱了研究人員的熱情。最近幾年，隨著鋰離子電池暴露出如安全性低、成本高、能量密度小等缺陷，鋅空氣電池再一次走進(jìn)研究者的視野。諸如EOS儲(chǔ)能、Fluidic能源、ZincNyx能源的許多公司參與相關(guān)研究，并做了很多出色的工作[45]。盡管如此，作為一種極具發(fā)展前景的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)，可充電鋅空氣電池仍處于起步階段。因此，開發(fā)優(yōu)異電化學(xué)性能的可充鋅空氣電池在柔性和可穿戴電子器件中的相關(guān)研究越來(lái)越多。圖1.2鋅基電池的發(fā)展歷程[46]

蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文過(guò)渡金屬基材料在鋅-空氣電池中的應(yīng)用41.2.2鋅空氣電池的工作原理圖1.3鋅-空氣電池的示意圖以及組成部分[47]如圖1.3所示。鋅空氣電池由金屬鋅電極、隔膜和空氣電極組成，與電解液封裝在一起。金屬鋅陽(yáng)極與空氣陰極之間通過(guò)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流[48]。金屬鋅電極決定電池的容量，因此它應(yīng)當(dāng)具有高活性和高效充電能力，并使電池保持幾百次充放電的能力[49]。電解液對(duì)鋅電極應(yīng)當(dāng)具有適宜的活性，并具有良好的導(dǎo)電性以及與空氣電極充分接觸的能力[18]。鋅空氣電池在充放電過(guò)程中所涉及的陰陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程如下：鋅空氣電池在放電過(guò)程中電極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)：鋅陽(yáng)極：2Zn+4OH--2e-→Zn(OH)4-→ZnO+2H2O(1-1)空氣陰極：O2+4e-+2H2O→4OH-(1-2)總反應(yīng)：2Zn+O2→2ZnO(1-3)副反應(yīng)：Zn+2H2O→Zn(OH)2+H2(1-4)鋅空氣電池在充電過(guò)程中電極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)：鋅陽(yáng)極：ZnO+2H2O→Zn+4OH-+2e-(1-5)空氣陰極：4OH-→O2+4e-+2H2O(1-6)總反應(yīng)：2ZnO→2Zn+O2(1-7)1.3鋅空氣電池的幾個(gè)重要參數(shù)的理論值計(jì)算開路電壓：陰極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-E0=0.401V(1-8)陽(yáng)極：Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-E0=-1.245V(1-9)總反應(yīng)：Zn+1/2O2→ZnOE0=1.646V(1-10)根據(jù)上述反應(yīng)式可以寫出鋅空氣電池的電動(dòng)勢(shì)：

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3366706