ZIF-67衍生物的合成及其对锂氧电池催化性能的影响

发布时间：2020-03-25 22:40

【摘要】：近些年来,随着电动车、人工智能、电子设备的高速发展。对电池能源的需求愈发强烈,作为新一代电池中能量密度最高的锂氧电池也引起了研究人员的注意。然而目前锂氧电池中最优秀的催化剂贵金属材料的丰度不足、成本高昂,很难投入实际使用。而ZIF-67(沸石咪唑骨架材料)及其衍生物已被广泛应用于燃料电池、锂离子电池、钠离子电池等能源领域。ZIF-67易制备、易处理,并且拥有锂氧电池所需要的多介孔结构,经过处理后也表现出优秀的OER催化性能,是作为锂氧电池正极催化剂的理想材料。在本文中首先使用原位生长的方式将ZIF-67负载在GO上,并经过不同时间的热处理以探究催化剂的微观结构对锂氧电池正极催化机理的影响。此外。通过硫化ZIF-67与CNTs的复合材料,尝试首次将钴的硫化物使用在锂氧电池当中,获得了高比容量、高循环性能的新型催化剂。具体研究内容如下:(1)通过简单碳化用静电吸附法合成的氧化石墨烯(GO)负载ZIF-67纳米晶体来制备Co-N-rGO材料作为锂氧电池的催化剂材料,以改善氧电极的电导率和催化活性。发现了延长碳化时间可以使得ZIF-67碳骨架坍塌至rGO的平面。电化学测试表明其具有优秀的ORR与OER催化活性,放电平台在2.75 V左右,充电平台在4.2 V左右。并研究了碳化时间如何影响催化剂的形态,这进一步影响了放电产物的沉积和形态,随着碳化时间的增强活性位点逐渐增多,其催化机理也从表面介导转变成溶液介导,实现了对放电产物生成机理的有效控制。通过改变催化剂的形态,为锂氧电池提供更高的容量和更长的循环寿命,在碳化时间达到7 h后首圈比容量达到3304 mAh g~(-1),500 mAh cm~(-2)定容量循环中寿命达到34圈。(2)尝试将硫化钴引入到锂氧电池当中,通过将ZIF-67生长在CNTs骨架上,并在Ar下高温硫化,得到了CoS_2/CNTs复合材料。获得了一种优秀的催化剂,在首圈充放电过程中达到2569 mAh g~(-1)的比容量,其ORR性能良好,放电平台在2.7 V左右。同时具有优秀的OER催化活性,充电平台在4.1 V左右。该催化剂在充电过程中可以有效分解放电产物Li_2O_2,并可以分解副产物乙酸锂与甲酸锂等副产物,并在500 mAh cm~(-2)的定容量测试中循环52圈,表现出优秀的循环性能与抗钝化能力。
【图文】：

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量储存已成为二十一世纪社会面临的最大挑战之一。随着世界人口的增加以及世界工业化程度越来越高，对能源的需求会不可避免地增加。同时，核能和可再生燃料也开始作为发电来源加入煤炭、石油和天然气等传统能源的行列。随着能源需求的寻新的可再生能源、减少二氧化碳排放并消除其对气候变化影响势在必行。可再生核能、风能、太阳能、潮汐能等使用量的增加改变了目前能源产业的构成。而电池结构简单、输出稳定的储能器件在新能源时代将扮演更加重要的角色。为响应“十三略性新兴产业发展规划中对新能源汽车，以及电池行业的要求，研发高比容量、高的新型电池已迫在眉睫。今为止，研究人员开发出大量的储能器件，如锂离子电池、超级电容器、燃料电池等列举了一系列已用或正在开发的电池技术，并将它们各自的能量密度与汽油进行比中，锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、工作温度范围宽、循环寿命长、安等优点，，自 1991 年首次推出以来便广泛应用于各种便携式电子设备，引领了近三十产品革命的新浪潮[7]。

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士研究生学位论文第，负载锂离子电池的电动汽车的最大续航里程为 300 km h-1[9]，难以满足远，所以寻找更优的能源系统势在必行。锂硫电池与金属-空气电池（例如和锌空气电池等）是目前最有研发前景的两个选择,尤其是后者直接采用电化学反应物，正极仅作为电化学反应的场所，因此具有较高的能量密度[10]。其中，锂作为最轻的金属元素，组成的锂氧电池，其理论比能量密度g-1，可与汽油相媲美。1996 年，Abraham 首次采用 PAN 基聚合物电解质催化剂，得到的锂氧电池开路电压为 3 V，首圈放电比容量为，放电平台 V 至此，锂氧电池的研究热度一直居高不下[11]。2012 年 IBM 宣布将与日子 2 家公司展开合作，开发锂氧电池，并力争最快在 2025 年前实现充电以上的电池的实用化[12]。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O643.36;TM911.41

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