金属-空气液流电池作为一种大规模储能设备,具有成本低廉的,能量密度高,可靠性好等特点,受到人们广泛关注。然而,正极作为金属-空气液流电池重要组成部分,其上发生的氧还原反应和氧析出反应动力学缓慢,导致电池充放电极化较大,能量转换效率低。因此开发廉价高效的催化剂迫在眉睫。非金属氮掺杂碳材料具有高催化活性,成本低廉等特点,在催化氧还原与氧析出领域有着良好的前景。然而,目前基于非金属氮掺杂碳的空气正极依然存在活性位点密度较低,传质较差,粉末催化剂易从电极上脱落等问题。针对上述难题,本文设计制备了一种具有多级孔结构的氮掺杂碳电极,并系统的研究了其物理化学性质、电催化性能以及在电池中的应用性能,具体研究内容及成果如下:(1)发展了基于“原位电化学聚合+高温煆烧”制备多级结构空气电极的方法。通过控制循环伏安扫描圈数调节聚吡咯的含量,进而调控碳层的组成与结构。研究结果表明:当聚合圈数为75时,所制备的氮掺杂碳电极(CC@NCL-75)具有较丰富的大孔和介孔(126 m2 g-1),聚合量过低(50圈)或过高(100圈)均导致碳层较致密,介孔和大孔较少(CC@NCL-50:67m2g-1,CC@NCL-100:76 m2 g-1,),不利于物质的传输。同时,该方法制备的氮掺杂碳层中氮含量均为3.6 at%,且氮的种类也相同,为探究传质与电催化性能的关系提供了良好的载体。(2)探究了孔结构对活性中心利用率、电催化性能的影响。利用设计的实验装置,测试了多级结构氮掺杂碳电极对氧气的吸附量及对氧气的传输速率,评价了电极催化氧还原与氧析出反应活性与稳定性。研究表明:相比于CC@NCL-50和CC@NCL-100,具有丰富介孔与大孔的CC@NCL-75能够暴露更多的活性位点,可吸附氧气7.6×10-8 mol cm-2,氧气在其表面的扩散系数最大,可达到4.97×10-3 cm2·s-1。CC@NCL-75催化氧还原反应的半波电位为0.855V,催化氧析出产生10 mA cm2电流的过电位仅需0.35V,并且拥有优异的稳定性,在20000秒恒电位测试后,催化ORR和OER电流依然分别保持初始值的89%和63%,即CC@NCL-75具有高于商业铂碳和二氧化铱的氧还原和氧析出催化性能。(3)探究了一体化多级孔氮掺杂碳电极在锌空气液流电池中的应用性能。所制备的氮掺杂碳电极作为一体化电极,直接用于锌空气液流电池的正极,避免了因催化剂脱落而导致的性能和稳定性的下降。研究表明,相比于传统贵金属铂、二氧化铱涂覆在碳布上的空气电极(Pt/C+IrO2)/CC,CC@NCL-75在锌空液流电池中可显著降低电池的充放电过程中的极化,能量效率可达56%,并且有较好的稳定寿命,在1380 min内没有衰减。