【摘 要】
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日益加剧的全球能源危机和严重的环境问题推动了对可充电锌空气电池(Zn-Air Batteries,ZABs)的广泛研究,由于其理论能量密度高、无污染和安全性,被认为是未来可行的能源。其中,氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)由其高过电势、低交换电流密度和缓慢的动力学过程严重限制了整体效率。通常认为Pt基催化剂对ORR具有显著的电催化活性,但其价格过高、资源稀缺、
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日益加剧的全球能源危机和严重的环境问题推动了对可充电锌空气电池(Zn-Air Batteries,ZABs)的广泛研究,由于其理论能量密度高、无污染和安全性,被认为是未来可行的能源。其中,氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)由其高过电势、低交换电流密度和缓慢的动力学过程严重限制了整体效率。通常认为Pt基催化剂对ORR具有显著的电催化活性,但其价格过高、资源稀缺、耐久性不令人满意和耐毒性差,从根本上阻碍了这些能源装置的商业化进程。因此,寻找替代Pt基催化剂至关重要,这些催化剂需要有富含地球自然资源、成本低,而且具有高催化活性。多孔碳材料因其优异的导电性、可调的形态、高表面积、丰富的前体以及化学和结构稳定性而被广泛研究。尽管碳纳米管、石墨烯和其他碳材料具有很好的催化活性,但由于成本和合成工艺过高,它们的大规模商业化受到限制。因此,以生物质资源为原料的先进碳基催化剂受到了广泛关注,其可再生、环保和低成本的优势,被认为是电催化剂的理想基材。本文通过简便的方法制备生物质衍生的多孔碳材料应用于锌空气电池。主要为如下两项研究:(1)提供一种两步热解法,以水葫芦为原料生产N掺杂的多孔碳催化剂。所生产的催化剂具有更强的ORR活性,与商业Pt/C(ΔE1/2=0.83 V)相比,具有更好的半波电位(ΔE1/2=0.843 V),并且在2000次循环后具有值得注意的循环稳定性。此外,这种催化剂被用来制造可充电的锌空气电池(ZABs),由于其高比容量(775 m Ah/g)和在2 m A/cm~2的电流密度下电池充放电循环稳定性(212 h),比市场上已有的Pt/C-Ru O2电池表现得更好。这一发现为创造具有成本效益、高性能和生态友好的生物质衍生的杂原子掺杂碳催化剂铺平了道路。(2)通过在非贵金属元素与N元素掺杂在碳载体中通过一步热解还原策略制备ORR电催化剂。该催化剂采用内部呈薄片状结构,并且对金属元素与N元素有富集作用的水葫芦(SHL)作为模板,制备了在类似虫蛀的朽木形状的多孔碳网络中包含均匀Fe-NX活性位点的ORR电催化剂。通过酸浸去除杂质之后,催化剂SHL-Fe-HMNC展示出优异的ORR催化活性,半波电位高达0.881V,优于商业Pt/C(0.838 V)。用于液态ZABs的阴极材料时,具有108m W/cm~2的功率密度,高于商业Pt/C-Ru O2(92 m W/cm~2);在10 m A/cm~2的电流密度下超过45个小时的循环稳定性。这得益于水葫芦独特且稳定的朽木状结构以及均匀分散在多孔碳上的活性位点,为便携式电子锌空气电池相关设备提供了有前景的应用潜力。本文以水葫芦为前驱体,通过加入不同形式的掺杂以及Zn Cl2活化剂来制备多孔碳材料电催化剂,从而达到促进ORR催化性能的效果。所制备的两种催化剂均体现出出色的ORR性能,并且用来制备液态和固态锌空气电池具有令人满意的循环稳定性,这为水葫芦作为碳基底材料的发展做了铺垫,并且为锌空气电池的研究提供了新的思路。
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