ZIF衍生的碳基Fe-Co双金属电催化剂的制备及其用于锌-空电池的性能研究

作     者：张妍妍 

作者单位：安徽理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李洋

授予年度：2023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：ORR OER ZIF衍生 多孔互联材料 双功能 锌-空气电池 

摘      要：天然化石燃料资源的快速持续减少、环境危机以及对清洁和可持续能源的需求无疑正在推动当前对氢能、燃料电池和金属空气电池等能源资产的研究和开发,其中可充电锌-空气电池(Zn-air batteries,ZABs)凭借其具有成本效益和高能量密度,成为可再生能源和电力运输电源的有前途的储能装置。然而,阴极材料的缓慢动力学、有限的充电和放电周期以及低的往返效率长期以来一直是阻碍锌空气电池在市场上大规模应用的障碍。在过去,包含Pt、Pd、Ru、Rh或Ir作为贵金属或其氧化物衍生物的材料显示出作为上述反应的电催化剂的最佳效率。然而,此类催化剂的高成本却阻碍了其工业应用。此外,该催化剂家族的稳定性相对较低,需要频繁更换且无法同时催化氧还原(Oxygen Reduction Reaction,ORR)和析氧反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)。出于这些原因,对具有双功能且同时又廉价稳定的电催化剂的研究需求很大。因此,开发能催化可充电ZABs且经济可行、稳定的双功能催化剂非常有必要。针对以上问题,设计合成非贵金属双功能催化剂应用于锌-空电池,做了如下两种设计方案来探究:(1)锌-空气电池凭借性能优异、价格低廉且易于生产等优点进入人们的视野,随着非贵金属催化剂在工业生产中的应用,开发应用于锌空气电池的非贵金属双功能电催化剂引起了科研人员的兴趣。这项研究提出一种新型沸石咪唑骨架与铁、钴和锌结合的催化剂(Fe Co-ZIF),不需要额外的碳源,减少了环境污染。与工业Pt/C(0.837 V半波电位)和Ru O(过电位)相比,因为Fe和Co的组合,Fe-Co-N-C-900表现出优秀的氧还原(0.859 V半波电位)和氧析出(10m A cm时343 m V过电位)特性。使用Fe-Co-N-C-900作为空气阴极制备液体和固体ZABs,实验结果表明,与传统的Pt/C+Ru O催化剂相比,液态ZABs具有更高的峰值功率密度(125 m W cm),并且在循环过程中更稳定。液态和柔性可充电ZABs的开路电压分别为1.460 V和1.476 V。这种简单的合成策略可以为制备具有储能和转化的双功能催化剂提供一种新的方法。(2)近年来,以咪唑分子筛骨架为碳基的双功能电催化剂成为研究热点。另外,单组分催化剂无法同时实现氧还原反应和析氧反应的有效催化。同时,本文报道了一种双金属三维多孔结构的双功能催化剂,该催化剂以二氧化硅球为硬模板,ZIF为碳基底。饼状ZIF的固有孔隙率、利用二氧化硅球模板生成有序大孔结构以及金属活性位点之间的协同作用,这些共同促进电池的物质转移和电催化活性。合成的催化剂对ORR和OER表现出优异的电催化活性,拥有比Pt/C低20m V的半波电位(E=0.80 V),超过商用Pt/C+Ru O催化剂(0.368V,ΔE=0.778 V)的过电位(0.321 V)和电压间隙(ΔE=0.751 V)。此外,基于这种催化剂所组装的可充电锌空气电池表现出优异性能,包括高功率密度(98.7m W cm)、超过商业Pt/C+Ru O催化剂(160h)的电池充电/放电循环稳定性(220h)。由于其独特的孔结构和良好的导电性,这种衍生材料在双功能催化和其他用于可充电锌-空气电池的能源技术方面具有扩展的空间。图38表10参164