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固态锌-空气电池因为其理论比能量密度较高,材料廉价易得及环保安全,被认为是极具商业化前景的动力电池。但是性能不理想的固态电解质和电池空气电极缓慢的氧气还原反应(ORR)及氧气析出反应(OER)是限制其发展的主要因素。寻找高性能的固态电解质和高电化学活性的双功能催化剂是解决问题的关键。本文首先合成了固态电解质,设计并搭建了固态锌-空气电池模型。然后制备了过渡金属氮掺杂碳复合材料,研究其ORR/OER催化性能,并应用在固态锌-空气电池中进行实际电池测试。以丙烯酸为聚合物主体,加入KOH溶液和氧化锌,在交联剂和聚合引发剂的作用下制备得到凝胶电解质(PAA)。凝胶电解质具有良好的柔韧性、锁水性和一定的机械强度,并且离子电导率达到8.6×10-2 S/cm。然后用锌片、凝胶和负载催化剂的疏水碳纸搭建固态锌-空气电池,通过透气胶带包裹可以抑制凝胶中水分的损失,延长电池寿命。两个电池串联能够正常点亮LED灯珠约5小时。以MOFs材料(ZIF-67、HKUST-1)及其复合物为前驱体,采用不同煅烧方式制备过渡金属氮掺杂碳复合材料(Co-Cu/NC及Co-Cu/NC-air)。在0.1 M KOH电解液中,钴基催化剂ORR性能普遍较好,其中 Co-Cu(1:0)/NC 的半波电位是 0.825 V(vs.RHE),在 2.5 mA电池放电测试中,初始放电平台超过1.3 V,总放电持续35小时。而双金属复合催化剂表现出更好的OER性能。所以Co-Cu(1:1)/NC同时具备优秀的ORR和OER催化活性,是优秀的双功能电催化剂。其搭建的电池在5分钟充放电测试中稳定运行265个循环,初始电池效率高达70.7%。以不同配比的过渡金属元素钴和镍为前驱体,通过高温煅烧制备了一系列的Co-Ni/NC材料。表征显示这些催化剂是含有金属单质,金属化合物或金属氧化物的氮掺杂碳复合材料。电化学显示钴元素提高催化剂的ORR性能,镍元素促进催化剂的OER动力学性能。所以Co-Ni(1:1)/NC具有最优的双功能电催化活性,搭建成电池后在5 mA电流下,放电容量为142.1 mA·h,在5分钟充放电循环中能稳定工作300次,运行时间是贵金属催化剂的三倍以上。