过渡金属/氮掺杂碳复合材料的结构调控与电催化性能研究

作     者：龚涛 

作者单位：三峡大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙盼盼;孙亚明

授予年度：2022年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：锌-空气电池 电催化剂 结构调控 孔结构 ORR/OER 

摘      要：随着能源问题与环境问题的日益严峻,人们将目光聚焦于开发清洁的,可持续的电化学能源转换技术。目前,大多数新型能源转换技术都受限于电催化剂在装置中的催化性能,因此,开发性能优异,稳定性好,价格低廉的电催化剂一直是研究人员研究的重点。其中,过渡金属/氮掺杂碳复合材料(M/NC)由于其结构特性在电催化领域展现出巨大潜力。本论文主要围绕结构调控,立足于调控M/NC的金属颗粒尺寸、分布以及表面结构来提高其电催化性能。具体研究内容如下:1)通过冷冻干燥和高温碳化两步合成法,制备了一种新型的Co Sb合金负载在氮掺杂碳上的Co Sb/NC催化剂。本工作在样品制备过程中首次引入了Sb盐(Sb Cl),它的引入不但能与Co合金化形成了新型的Co Sb纳米颗粒,而且,Sb的蒸发会产生大量的微/介孔,这能显著改变NC基质的孔隙结构。同时,通过调整Sb Cl的投料比可以调控Co Sb纳米颗粒的粒径和分布。通过ORR测试知,性能最优的Co Sb/NC-0.8电催化剂的起始电位和半波电位分别为0.91 V和0.87 V ***,动力学电流密度(J)为22.6 m A cm(0.85 V ***),Tafel为38 m V dec,与商业Pt/C相比具有竞争优势。此外,Co Sb/NC催化剂同样具有OER电催化活性,在10 m A cm时过电位最低可达430 m V。最后,可充电锌空气电池测试表明,Co Sb/NC-0.8基电池的功率密度达到180m W cm,经过60 h连续放电-充电测试后电池往返效率没有明显的下降,说明其在充放电能力和稳定性方面同样具有优势。2)以ZIF-8为前驱体,通过改变退火温度来制备高Zn含量的Zn/NC前驱体,再对其进行Sb Cl吸附,最后以[Co(NH)]Cl为Co源进行高温气相转移合成了NC催化剂。结构表征分析表明,Zn和Sb在样品高温热解过程中能起到调控样品微孔的作用,而Co气相处理能起到调控样品介孔的作用,所得的NC催化剂最大比表面积和孔体积分别为2253 m g和2.03 m g,所以NC催化剂呈现一种高比表面积多孔的多面体形貌。通过ORR性能测试知,性能最好的NC-800的起始电位和半波电位分别为0.97 V和0.91 V ***,Tafel斜率为54.1 m V dec,优于Pt/C催化剂。此外,NC-800的△E=0.64 V ***,说明催化剂具有优异的双功能性能。当作为锌-空电池空气阴极,最大功率密度为180 m W cm,充放电循环测试能长达1000 h,表明NC催化剂在能量转换和存储系统中具有潜在的应用前景。