低成本电催化剂制备及其在锌-空气电池和水分解中应用研究

作     者：张桐瑞 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱园勤

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 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] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：氧还原反应 析氧反应 析氢反应 锌-空气电池 电解水 

摘      要：由于人类经济社会的高速发展,人们生活日益依赖于化石能源。这不可避免地导致了化石能源的过度消耗以及日益严重的环境危机。为了解决人类所面临的能源及环境危机,开发清洁、高效、低成本、可持续的能源存储和转换技术成为研究人员的首要任务。作为该领域的研究热点,锌-空气电池以及电解水装置已被广泛研究。这些新型的电化学器件,会涉及到氧还原反应(ORR),析氧反应(OER),析氢反应(HER),往往需要高效且稳定的电催化剂以降低这些反应的能垒。目前工业上采用的大多为Pt,Ru O和Ir O等贵金属催化剂,昂贵的成本阻碍了其大规模应用。开发设计面向工业化生产需求的电催化剂,对于这些新型器件的实际应用起着至关重要的作用。本论文围绕ORR、OER以及HER这三种电催化反应,开发多种催化剂,并在降低材料合成成本的同时,保证了其高催化活性以及优异的稳定性。论文主要包括以下三个工作:(1)通过水热法制备了由二维纳米片组成的系列层状空心Ni Co Mn-LDH立方体,其中NiCoMn-LDH表现出最高的OER活性。在10 m A cm的电流密度下表现出248 m V的过电位和72.2 m V dec的Tafel斜率,甚至优于Ru O催化剂。OER性能的增强归因于Mn诱导的Ni向Ni的转变。这项工作为进一步优化Ni Co-LDH基催化剂的OER性能提供了一种思路。(2)通过原位催化策略制备了一种无贵金属电催化剂,由碳纳米管封装的Fe Co纳米颗粒组成。由于碳纳米管的封装作用以及多孔结构,催化剂表现出较高的ORR活性和优异的耐久性。此外,为了弥补其OER活性的不足,通过原位反应策略将Co Fe-LDH与Fe Co NPs-N-CNTs耦合。将所制备的复合材料用作可充式锌-空气电池(ZABs)的正极,表现出1.51V的开路电压,116 m W cm的峰值功率密度和高达100 h的优异耐久性。(3)提出了一种环境友好的制备策略,在杂多酸载体上构建Pt原子簇。受益于金属-载体强相互作用,嵌入硅钨酸-炭黑中的铂原子团簇(Pt-STA-CB)表现出优异的HER活性,在10 m A cm时的过电位(η)为33.8 m V,在60 m V的过电位下显现出35.8 A?mg的高质量活性。Pt-STA-CB催化剂具有优异的电化学稳定性,可以在500 m A cm的电流密度下稳定运行800小时。该工作为低成本制备稳定的铂基催化剂提供了一个平台。