【摘 要】
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锌-空气电池因其能量密度高、成本低廉和安全性高等优点引起了人们的广泛关注。但由于氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER)的缓慢动力学过程,空气电极上需要能够同时催化这两种反应的双功能催化剂。目前,常使用的含Pt、Ru等元素的贵金属催化剂的功能单一且成本高昂。因此,需要开发廉价、高性能的双功能催化剂用于锌-空气电池。本文基于双金属磷化物纳米颗粒优异的OER活性和磷、氮双掺杂碳优异的ORR活性,
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锌-空气电池因其能量密度高、成本低廉和安全性高等优点引起了人们的广泛关注。但由于氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER)的缓慢动力学过程,空气电极上需要能够同时催化这两种反应的双功能催化剂。目前,常使用的含Pt、Ru等元素的贵金属催化剂的功能单一且成本高昂。因此,需要开发廉价、高性能的双功能催化剂用于锌-空气电池。本文基于双金属磷化物纳米颗粒优异的OER活性和磷、氮双掺杂碳优异的ORR活性,将二者复合在一起构建了高效双功能催化剂,采用两种不同的方法对催化剂的结构进行了调控,有效地提高了催化活性,用其构建了性能优异的锌-空气电池。论文的主要研究内容如下:(1)制备了FeNiP纳米颗粒/N,P双掺杂碳复合催化剂(FeNiP@C-200)。结果发现在制备过程中引入油胺可以调控ORR和OER的催化活性位点的数量。油胺的加入使得碳基底中石墨-N上的ORR活性位点以及FeNiP纳米颗粒表面M-OH/M-OOH上的OER活性位点的含量增加。经过这种表面结构调控后得到的FeNiP@C-200催化剂,在催化ORR反应中表现出更高的半波电位(0.879 V)和更大的极限电流密度。在10 m A cm-2的电流密度下,FeNiP@C-200的OER性能表现出280 m V的过电位。基于FeNiP@C-200组装的液态和固态锌-空气电池都具有高的功率密度和稳定的循环性能。(2)制备了Se元素掺杂的FeNiP纳米颗粒/N,P双掺杂碳复合催化剂(FeNiP/Se NPC-2)。结果发现掺杂Se元素可以调控复合催化剂的晶体结构和孔结构,并提高ORR和OER的催化活性。Se元素在FeNiP晶体结构中的掺杂引起了晶面间距的变化、调控了电子结构,有利于提高OER性能。同时,掺杂Se元素还使碳基底的孔结构发生改变,暴露出更多的催化活性位点,提高了传质效率,使ORR性能得到提高。这种Se元素掺杂引起的结构调控使得FeNiP/Se NPC-2的ORR性能表现出较高的半波电位和较大的极限电流密度。在10 m A cm-2的电流密度下,FeNiP/Se NPC-2的OER性能表现出269 m V的过电位。基于FeNiP/Se NPC-2组装的液态和固态锌-空气电池都具有高的功率密度和稳定的循环性能。本文证明了FeNiP纳米颗粒/N,P双掺杂碳复合催化剂是一类高效双能催化剂。通过结构调控的途径可以提高催化剂的催化活性,这为设计高性能的双功能催化剂提供了新的方法,也为开发具有优异性能的金属-空气电池奠定了基础。
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