可充电锌—空气电池高性能阴极催化剂的制备与研究

发布时间：2020-05-29 05:55

【摘要】：锌-空电池具有高能量密度、低成本、操作安全等优点,在新能源发电储能应用和电动汽车等方面具有广阔的发展前景。目前锌-空电池的阴极催化材料以铂等贵金属为主,鉴于其价格昂贵,资源稀少,故开发性能优异的锌空气电池阴极催化材料是实现电池商业化的关键。诸多研究表明,目前制备及优化优异锌-空原电池的阴极催化材料的重点主要集中于对催化剂的形貌控制、孔结构设计、活性位点设计等。基于此,本文开展了以下两个方面的工作:首先,利用高温碳化方法,以ZnCl_2和KCl为模板,高温热解邻苯二胺,制备了多孔氮掺杂的Fe/N/C催化剂,并且对模板盐的加入比例以及碳化温度进行了探索。SEM、TEM、BET、CV等结果表明,ZnCl_2和KCl的比例为1:1,碳化温度为800℃时,该催化剂具有优异的孔结构构成的三维传输通道,比表面积达到1100 cm~(-2) g~(-1),极大地增加了催化剂在三相界面的活性位点数;XPS表明该催化剂具有高氮原子含量(11.3%);XRD和拉曼光谱结果表明该催化剂石墨化程度要优于其他五种模板盐比例和其他碳化温度制备出的催化剂。电化学测试结果显示,在碱性介质中ORR半波电位为0.892 V,较商业Pt/C高32 mV,证明该催化剂在碱性介质中有着良好的应用前景。另一方面,制备出析氧催化剂Fe-Ni_2P纳米片状材料,对该材料进行了物理表征,再与上章节中所制备的氧还原催化剂Fe/N/C材料进行不同比例混合,探索最佳混合比例及其协同效应。析氧催化剂物理表征表明,所制备的Fe-Ni_2P纳米片状材料整体呈现出有序、均匀的纳米片层,在片上有着均匀的孔结构;XRD表明在350℃烧结后,P已经成功掺杂进入NiFe-LDH,得到Fe-Ni_2P材料;EDX能谱结果表明Ni与P的原子比例为2:1,Ni与Fe的原子比约为3:4,这也从侧面证明了制备出的材料为Fe-Ni_2P纳米片层材料;固定Fe-Ni_2P催化剂的载量,探索了氧还原催化剂Fe/N/C材料加入量对该催化剂析氧性能的影响,再固定氧还原催化剂Fe/N/C材料的载量,探索Fe-Ni_2P催化剂加入量对该催化剂的氧还原性能的影响,结果为当Fe/N/C催化剂与Fe-Ni_2P催化剂加入比例为1:1时,氧还原性能与析氧性能同时达到最高,即Fe/N/C@50%Fe-Ni_2P催化剂;最后我们对Fe/N/C@50%Fe-Ni_2P双功能进行了可充电锌空气电池的恒电流充放电极化测试与循环测试,结果表明其充放电过电位总和低于贵金属Pt/C-IrO_2催化剂,能量转换效率与稳定性都要高于贵金属Pt/C-IrO_2催化剂,为该催化剂的商业化提供了可能性。
【图文】：

重庆大学硕士学位论文 1 绪 论锌空气电池包括三种类型，分别是一次电池、可充式锌空电池和机械再充式电池[19]。一次电池只能经过一次放电，放电完全后便不能继续使用，无法再次充电，因为一次电池的放电电流小，适用于便携电子设备上，价格便宜，方便便携，能量密度也较大，目前已经得到商业化应用。可充式锌空电池也可叫做二次锌空电池，电池经过放电后，可以通过再充电继续使用，在充电过程中，电池会慢慢产生氧气，经过空气电极向大气中扩散；另外负极在放电时会有氧化锌生成，在充电时氧化锌会逐渐的被重新还原成锌，再次回到负极上，完成充放电循环过程。而机械再充式电池在很多文献报道中都被称为“可更换电极电池”，当电池放电完全后,取出已被氧化的金属电极,重新更换一个新的金属电极[20]。同时也可以更换添加新的电解液,减少电解液的碳酸化等[21]，但是核心部分空气电极不会有所消耗,仍然保留并可以长久使用。

重庆大学硕士学位论文 1 绪 论11图1.3 锰基氧化物的晶型结构Figure 1.3 The crystalline structure of manganese oxide1.2.5 双功能催化剂为了发展电化学可充电的二次金属-空气电池体系，需要开发双功能催化剂，即能够同时催化氧气还原反应和析氧反应过程。在之前的研究中，大部分的催化剂的开发主要集中在通过减少贵金属的载量进而降低材料成本，，或者用非贵金属或无金属碳催化剂取代贵金属催化剂[81]。如今新的催化剂研究工作致力于进一步优化双功能催化剂的氧还原和析氧活性，以此来达到Pt基和Ir基贵金属催化剂的标准。同时，研究人员也致力于双功能催化剂混合或者复合结构的开发，即由非贵金属和非金属碳材料组成的双功能催化剂[82]。当非贵金属（如Co、Ni、La和Sr）与碳基材料结合在一起时，金属的载量可以减少，但是双功能催化剂的性能并没有剧烈下降，这种混合催化剂的高催化活性主要归功于协同效应，这使得混合催化剂的活性比单个组分的催化活性更高。混合催化剂的协同作用主要是由于混合催化剂组成成分之间高度有利的相互作用。作为双功能催化剂开发的一种延伸
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.41

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本文编号：2686508