以金属有机框架化合物为模板的多孔碳材料在电催化及锌空气电池中应用
发布时间：2021-01-10 12:07
对清洁能源日益增长的需求引发了对高效,廉价和无毒的能量转换和存储设备的深入研究。氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）是燃料电池,水分解和各种可充电电池的重要电化学过程。然而,开发具有增强的电化学性能的实用电催化剂仍然是一项挑战。铂基电催化剂是迄今最有效的ORR催化剂。对于OER,基于铱和钌的氧化物的电催化剂被认为是最有效的催化剂。但是,由于这些材料价格昂贵,稳定性差以及不容易反应的惰性中间体,限制了其大规模的应用。因此开发具有高活性,高稳定性和低成本的电催化剂是十分有意义的。基于此,本论文主要以金属有机框架化合物为模板,通过调控金属的掺杂合成一系列氮掺杂的多孔碳材料,详细研究了合成的电催化剂的优异性能和这种性能的来源并进行了应用。（1）以自制的ZIF-8为模板,通过水解金属盐（Fe（NO3）3·9H2O,Co（NO3）2·6H2O和Ni（NO3）3·9H2O）在模板表面负载金属氢氧化物,...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水性和非水性金属空气电池中各种金属阳极的理论比能量，体积能量密度和标称电池电压[14]
剂来加速该过程。对于可充电锌空气电池，每个主要结构部件都面临着自己的挑战。对于空气电极，很难找到促进两个氧化还原反应的催化剂，从而限制了锌空气电池的功率密度。此外，空气中的二氧化碳（CO2）会与碱性电解质发生碳酸化反应，从而改变了电池内部的反应环境。碳酸盐副产物可能会堵塞气体扩散层的孔隙，从而限制了通向空气的通道。对于隔膜，寻找一种在碱性环境中坚固但又允许氢氧根离子流动而同时阻止锌离子的材料具有挑战性。对于锌金属电极，很难控制锌的不均匀溶解和沉积，这是枝晶形成和形状变化的主要原因。图1-2充电式锌空气电池示意图[14]。Fig1-2Schematicillustrationofrechargeablezinc-airbattery.因此，需要双功能催化剂以将ORR和OER动力学提高到锌空气电池中的实际可用水平。铂（Pt）对ORR表现出优异的活性，但对OER则表现出较差的性能，这是由于形成了具有低电导率的稳定氧化物层[17]。贵金属氧化物，例如钌（Ru）和铱（Ir）氧化物，虽然是出色的OER催化剂，但对ORR的活性较低[18]。尤其是，现有的贵金属基催化剂的耐用性在可充电锌空气电池操作下仍远远不能满足。它们在锌空气系统中的实施还因稀有金属和由此产生的高成本而受到困扰[19]。为了在商业上可行，同时在同一空气电极上实现ORR和OER的催化效率，已经广泛地寻求不含锌的双功能催化剂用于实用的锌空气电池。然而，主要由于在放电和充电过程中ORR/OER电势的宽操作范围，在不显着牺牲双功能催化效率的情况下找到稳定的催化剂材料仍然是非常具有挑战性的。1.2.2电解水水电解通过析氢反应（HER）和析氧反应（OER）从水中产生产生氢气（H2）
青岛科技大学研究生学位论文5和氧气（O2）。在阳极，水伴随质子和电子分解为氧气。在阴极，氢气通过质子和电子的复合而放出。迄今为止，由于其能量转换效率高，可忽略的环境污染以及潜在的广泛应用，这种能量转换技术已引起广泛关注[20-22]。如图典型的电解槽由三部分组成：水性电解质，阳极和阴极（图1-3）。双功能HER-OER催化剂同时应用于阳极和阴极，以加快整个水分解反应的速度。当在两个电极之间施加外部电压时，OER和HER分别出现在阳极和阴极[21]。根据进行水分解的电解质，水分解反应的描述如下[23]：总反应：H2O→H2+1/2O2（1-4）酸性溶液中，阴极反应：2H++2e-→H2（1-5）阳极反应：H2O→2H++1/2O2+2e-（1-6）中性或碱性溶液中，阴极反应：2H2O+2e-→H2+2OH-（1-7）阳极反应：2OH-→H2O+1/2O2+2e-（1-8）图1-3基于双功能活性催化剂上发生的电化学氢和氧逸出反应的酸性水电解槽及其运行原理的示意图[23]。Fig1-3Schematicillustrationofacidicwaterelectrolyzeranditsoperatingprinciplebasedontheelectrochemicalhydrogenandoxygenevolutionreactionoccurringonabifunctionalcatalysts.
本文编号：2968676
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水性和非水性金属空气电池中各种金属阳极的理论比能量，体积能量密度和标称电池电压[14]
剂来加速该过程。对于可充电锌空气电池，每个主要结构部件都面临着自己的挑战。对于空气电极，很难找到促进两个氧化还原反应的催化剂，从而限制了锌空气电池的功率密度。此外，空气中的二氧化碳（CO2）会与碱性电解质发生碳酸化反应，从而改变了电池内部的反应环境。碳酸盐副产物可能会堵塞气体扩散层的孔隙，从而限制了通向空气的通道。对于隔膜，寻找一种在碱性环境中坚固但又允许氢氧根离子流动而同时阻止锌离子的材料具有挑战性。对于锌金属电极，很难控制锌的不均匀溶解和沉积，这是枝晶形成和形状变化的主要原因。图1-2充电式锌空气电池示意图[14]。Fig1-2Schematicillustrationofrechargeablezinc-airbattery.因此，需要双功能催化剂以将ORR和OER动力学提高到锌空气电池中的实际可用水平。铂（Pt）对ORR表现出优异的活性，但对OER则表现出较差的性能，这是由于形成了具有低电导率的稳定氧化物层[17]。贵金属氧化物，例如钌（Ru）和铱（Ir）氧化物，虽然是出色的OER催化剂，但对ORR的活性较低[18]。尤其是，现有的贵金属基催化剂的耐用性在可充电锌空气电池操作下仍远远不能满足。它们在锌空气系统中的实施还因稀有金属和由此产生的高成本而受到困扰[19]。为了在商业上可行，同时在同一空气电极上实现ORR和OER的催化效率，已经广泛地寻求不含锌的双功能催化剂用于实用的锌空气电池。然而，主要由于在放电和充电过程中ORR/OER电势的宽操作范围，在不显着牺牲双功能催化效率的情况下找到稳定的催化剂材料仍然是非常具有挑战性的。1.2.2电解水水电解通过析氢反应（HER）和析氧反应（OER）从水中产生产生氢气（H2）
青岛科技大学研究生学位论文5和氧气（O2）。在阳极，水伴随质子和电子分解为氧气。在阴极，氢气通过质子和电子的复合而放出。迄今为止，由于其能量转换效率高，可忽略的环境污染以及潜在的广泛应用，这种能量转换技术已引起广泛关注[20-22]。如图典型的电解槽由三部分组成：水性电解质，阳极和阴极（图1-3）。双功能HER-OER催化剂同时应用于阳极和阴极，以加快整个水分解反应的速度。当在两个电极之间施加外部电压时，OER和HER分别出现在阳极和阴极[21]。根据进行水分解的电解质，水分解反应的描述如下[23]：总反应：H2O→H2+1/2O2（1-4）酸性溶液中，阴极反应：2H++2e-→H2（1-5）阳极反应：H2O→2H++1/2O2+2e-（1-6）中性或碱性溶液中，阴极反应：2H2O+2e-→H2+2OH-（1-7）阳极反应：2OH-→H2O+1/2O2+2e-（1-8）图1-3基于双功能活性催化剂上发生的电化学氢和氧逸出反应的酸性水电解槽及其运行原理的示意图[23]。Fig1-3Schematicillustrationofacidicwaterelectrolyzeranditsoperatingprinciplebasedontheelectrochemicalhydrogenandoxygenevolutionreactionoccurringonabifunctionalcatalysts.
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