锌空气电池用电催化剂设计及其性能研究

作     者：吴姣 

作者单位：中南林业科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈志彦

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] 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：锌空气电池 电催化材料 ORR/OER 双功能 

摘      要：锌空气电池是一种可持续发展的清洁能源和燃料电池。首先,负极活性材料被封装在电池中,具有与锌锰等电池相似的特性,可以作为蓄电池使用;其次,正极物质来自外界环境中的氧气,这有利于提高锌空气电池的能量密度。其理论值可达1086 Wh kg,远超过其他金属离子电池,甚至是目前市面上商用锂离子电池的五倍;同时,金属锌具有低成本和高安全性等固有优势。锌空气电池的出现为先进电子设备带来了巨大的发展前景。近年来,锌空气电池的发展迅速,但是它们依然面临着功率密度较低、循环稳定性较差的挑战。可充锌空气电池吸引着无数的研究者们去探索,也获得过许多的重大突破。然而,电池中电解液的蒸发和吸潮、充放电过程中锌负极枝晶的生长以及空气电极中催化效率低等问题仍然存在。其中最为致命的是空气阴极的缓慢氧催化过程。因此,研制高性能、廉价的氧催化剂将成为锌空气电池规模化应用的关键技术。本文设计并制备了一系列具有高性能的氧还原(ORR)/氧释放(OER)双功能催化剂,其主要研究内容如下:(1)制备了氮掺杂碳纳米片负载的Fe单原子和CoFe纳米颗粒催化剂。通过结构和形貌的表征手段确定了材料的主要成分为锚定在超薄碳层上的Fe单原子和CoFe合金颗粒(SA-Fe/P-CoFe@NCNS)。碳纳米片、Fe单原子和CoFe合金颗粒之间的协同作用提高了材料的导电性,使其与电解液的接触区域增加,暴露出丰富的反应位点,从而提高了 O和含氧中间体的吸附行为和动力学传质行为。因此 SA-Fe/P-CoFe@NCNS 的 ORR 半波电位为 0.906 V,10 mA cm时OER过电位为267 mV,实现了低氧电势差为0.591V。原位结果显示了出具有高OER活性的Co-OOH中间体的生成,证实了催化剂的优异OER性能。组装的准固态锌空气电池在电流密度为20 mA cm时稳定循环185 h,电池性能显著优于基于贵金属PtRuC的锌空气电池。(2)构建了碳负载的FeNi合金纳米颗粒。该制备流程简单方便,有利于工业级的大规模生产。电化学性能研究表明,基于双金属协同作用的催化剂的催化活性明显高于单金属催化剂。FeNi-NPs-NC显示出双功能催化活性,其氧电势差为0.656 V。基于FeNi-NPs-NC的锌空气电池显示出放电能力。