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Zn（Ⅱ）辅助构筑高效双功能电催化剂的研究

Zn（Ⅱ）辅助构筑高效双功能电催化剂的研究

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作者：岳粹玉合肥工业大学

学位级别：硕士

锌-空气电池具有安全、环保、能量密度高等诸多优势,被认为是未来电动汽车行业最有潜力的替代储能装置之一。开发低成本高效双功能电催化剂已成为推动锌-空气电池发展的主要引擎。然而,锌-空气电池的开放式结构和需氧本质严重限制了其... 详细信息

锌-空气电池具有安全、环保、能量密度高等诸多优势,被认为是未来电动汽车行业最有潜力的替代储能装置之一。开发低成本高效双功能电催化剂已成为推动锌-空气电池发展的主要引擎。然而,锌-空气电池的开放式结构和需氧本质严重限制了其多场景应用,如在水下或太空等缺氧/无氧场景下便无法维持工作。本文通过Zn(Ⅱ)辅助策略构筑了三种低成本高效碳基双功能电催化剂,并验证了它们在锌-空气电池或新型锌-双氧水电池中的应用。首先,针对现有催化剂难以支持锌-空气电池实现高功率的问题,利用DMEA诱导等多级调控策略合成ZnCo-NC-DMEA双功能电催化剂。最终产物展示出了优秀的双功能催化活性,基于其的锌-空气电池具有优异的循环稳定性、高功率性能(238 m W cm)和高比能量密度(950 Wh kg)。更重要的是,ZnCo-NC-DMEA驱动的新型锌-双氧水电池还表现出了超高的功率密度(442 m W cm)、比能量密度(966 Wh kg)以及水下工作的可行性。其次,针对催化剂难以实现规模化生产的问题,通过简单的固相研磨法在无溶剂条件下以Na Cl为模板合成了负载有Fe-N/FeC/N活性位点的碳基复合材料。作为电催化剂,Fe-NC-900/Na Cl无论是对ORR和OER进程(ΔE=0.67 V),还是在锌-空气电池中均表现出了优异的性能,将其与新型锌-双氧水电池结合,有望满足高功率水下储能器件在大电流密度下持续工作的需求。最后,针对二电子类催化剂活性较低的问题,通过在DMEA纯溶液中利用乙醇助溶作用结合热处理过程递进合成了Cu、Co双金属位点共掺杂的双功能电催化剂。ZnCoCu-C在ORR反应中不仅提供了可观的催化活性(E=0.87 V),而且具有环保催化生产双氧水的潜力。不但可以作为锌-空气电池经济实用的双功能电催化剂,而且可以提供锌-双氧水电池所需原料,促进新型锌-双氧水电池的发展。

关键词：锌-空气电池锌-双氧水电池电催化剂氧还原反应析氧反应

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