生物质衍生的富缺陷晶态碳基催化剂用于氧还原反应

作     者：张光颖 

作者单位：黑龙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王蕾

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：氧还原反应 杂原子掺杂 石墨化碳 缺陷 锌-空气电池 

摘      要：人类社会发展进步的同时,能源的需求量日益增加,环境污染也日益加剧。开发和利用可持续清洁能源是缓解能源和环境危机的有效手段,因此有必要开发高效的能源存储及转换技术,如燃料电池、金属-空气电池等。氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)的动力学缓慢,是燃料电池和金属-空气电池的控速步骤,决定了这些器件的整体性能。目前,贵金属铂基催化剂被认为是ORR活性最高的催化剂,但是铂面临稀缺、昂贵、稳定性不好等问题,很难大规模商业化应用。因此,发展低成本、性能优异的非贵金属基ORR催化剂尤为重要。基于缺陷工程、杂原子掺杂、石墨碳材料的特性,我们以生物质为碳源,设计合成了杂原子掺杂的富缺陷石墨化碳基纳米材料,其具有优异的ORR电催化活性,并探究了其在锌-空气电池中的应用。本论文的主要研究内容如下:1、以花生壳中提取的纤维素为碳源,通过碳化、N掺杂和制造缺陷的过程,合成了B,N共掺杂缺陷石墨化碳纠缠FeC纳米粒子(D-BNGFe-2-900)复合材料。在合成过程中,铁物种的引入有效地防止BN共价键的形成,利于ORR活性的最大化。此外,纳米碳包覆的FeC纳米粒子避免了在电化学测试中FeC纳米粒子的溶解,提高了催化剂的稳定性。由于N掺杂、FeC纳米粒子和缺陷三者之间的协同作用,使D-BNGFe-2-900具备优异的ORR催化活性和稳定性。将其作为空气正极组装一次锌-空气电池,在10 m A cm电流密度下,其放电容量可达769 m Ah g,放电时间达到96 h。2、以椰壳中提取的纤维素为碳源,铁盐和Zn Cl作为石墨化剂和造孔剂,合成了具有N掺杂缺陷的多孔石墨化碳纳米片(D-NPC-3)。在热处理过程中,Zn Cl不仅作为造孔剂分解后在碳基底中留下了大量的孔,同时也具有抑制铁聚集和提高导电性的作用。由于其高的比表面积利于传质,石墨化碳利于电子的快速传递,N掺杂及缺陷是ORR活性中心,因此D-NPC-3催化剂具有优异的ORR电催化活性和稳定性,性能超过Pt/C催化剂。将其作为空气正极组装一次锌-空气电池,在10 m A cm电流密度下,其放电容量可达801 m Ah g,放电时间达到95 h。3、采用水热法分别在泡沫铜和泡沫铁上生长NiFe水滑石结构,命名为NiFe-LDH@CF和NiFe-LDH@FF,样品具有优异的OER催化活性。将前面合成D-BNGFe-2-900和D-NPC-3分别涂敷在这两个自支撑材料上,制备了D-BNGFe-2-900|NiFe-LDH@CF和D-NPC-3||NiFe-LDH@FF两个复合电极。作为空气正极组装成可充放电的锌-空气电池,均具有高的功率密度和稳定运行的充放电循环性能。此外,组装柔性全固态锌-空气电池具有较好的柔韧性和可穿戴性。并构建了由两个便携式锌-空气电池串联的驱动水分解装置,实现了化学能到电能和清洁燃料气体(H)的有效转换。