金属酞菁化合物为模型研究金属-氮-碳（M-N-C）原子级催化位点在氧气还原和氮气还原的作用机制
发布时间：2021-11-12 08:09
当今社会,能源和环境问题日益突出,发展新型能源储存与转换装置成为亟待解决的问题。电催化反应作为实现这一目的的新型技术手段,越来越得到了人们的重视,如氧还原反应（ORR）,析氧反应（OER）,氮还原反应（NRR）等。目前,这些基本反应大都依赖贵金属（Pt,Au,Pd等）作为催化剂,高成本和稀缺性限制了研究的进一步发展,寻找丰富廉价的替代催化剂成为研究的热点。酞菁分子具有明确的金属-氮-碳（M-N-C）结构,同时大环中存在丰富的自由电子,有利于催化反应的发生。其中的金属中心易于更换,且以MN4形式存在,是进行电催化研究的理想模型。本文以金属酞菁化合物为模型研究金属-氮-碳原子级催化位点在氧气还原和氮气还原的作用机制。具体内容如下:（1）缺陷碳锚定酞菁铁分子协同提升ORR性能开发了一种非热解策略,通过将结构明确的MN4有机大环分子（Fe Pc）与含有缺陷的碳纳米片的N掺杂位点配位,来合成原子级分散的M-N-C催化剂Fe Pc@N,P-DC。该催化剂表现出增强的催化ORR活性,就半波电势和耐久性而言,比N,P-DC甚至Pt/C催化剂更加优良。DFT计...
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于电催化的未来能量转换示意图[40]
第一章绪论3图1.2NRR反应的不同路径。[34]Figure1.2DifferentreactionpathwayofNRR.在整个NRR过程中，质子和电子可以由水的电解提供，所以反应的发生只需要清洁原料（水和空气）电和电能。其反应式如下：N2+6H++6e-→2NH3（1.4）N2+6H2O+6e-→2NH3+6OH-（1.5）1.3锌空电池简介作为锂离子电池后的新型产品，金属-空气电池极大的引起了人们的兴趣。金属-空气电池通过合适的电解质将金属负极和空气正极连接起来，它们具有传统电池的设计特点，同时具有独特的优势，能量密度高、造价低、适用性广，理论能量密度大约是锂离子电池的2-10倍[3,12,39]。在不同类型的金属空气电池中，水性锌空气是一种相对成熟的技术，拥有对未来能源应用的最大潜力。自十九世纪末以来其原电池一直为科学界所熟知，在19世纪30年代开始出现商业产品。锌空气电池的理论能量密度很高,约为1086Whkg-1，比当前的锂离子技术高约五倍[40]。它们可以以极低的制造成本进行生产（估计为10美元kW-1h-1，大约比锂离子电池低几个数量级）。应用方面，锌空气电池可提供任何一次电池系统中最高的能量密度。无论在技术上还是在生
第一章绪论4态上，锌空电池都被认为是取代电动汽车锂离子电池的最佳选择。然而尽管起步较早，潜力很大，锌空气电池的发展仍然受到很多问题与阻碍，特别是空气电极催化剂。至今，以高能量密度而低功率输出而著称的一次锌-空气电池最成功地实现了医疗和电信应用。另外，发展可充电锌空气电池，解决锌的不均匀溶解和沉积，制备令人满意的双功能空气催化剂仍是巨大的挑战[41-49]。1.3.1锌空电池基本结构及原理图1.3锌空电池结构图与反应原理。[3]Figure1.3Schematicprincipleofoperationforzinc–airbatteries.图1.2示意性地说明了锌空气电池的基本结构。它由锌负电极，隔膜和空气正极电极通过电解液组装在一起。电池放电时，锌的氧化会产生可溶的锌离子（即Zn（OH）42-）。这个该过程通常会持续进行直到完全转化为电解质，之后锌酸盐离子分解成不溶物氧化锌，如下式所示[1]:负极:Zn+4OH-→Zn(OH)42-+2e-Zn(OH)42-→ZnO+H2O+2OH-正极:O2+4e-+2H2O→4OH-总反应:2Zn+O2→2ZnO（1.6）与负极的氧化反应同时进行，锌与水之间会发生不可避免的副反应导致氢气产生。这会导致锌金属逐渐自腐蚀，并降低活性材料的利用率。在正极，来自周围大气中的氧气分子渗透到多孔气体扩散电极（GDE），并在电极表面的电催化
本文编号：3490508
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于电催化的未来能量转换示意图[40]
第一章绪论3图1.2NRR反应的不同路径。[34]Figure1.2DifferentreactionpathwayofNRR.在整个NRR过程中，质子和电子可以由水的电解提供，所以反应的发生只需要清洁原料（水和空气）电和电能。其反应式如下：N2+6H++6e-→2NH3（1.4）N2+6H2O+6e-→2NH3+6OH-（1.5）1.3锌空电池简介作为锂离子电池后的新型产品，金属-空气电池极大的引起了人们的兴趣。金属-空气电池通过合适的电解质将金属负极和空气正极连接起来，它们具有传统电池的设计特点，同时具有独特的优势，能量密度高、造价低、适用性广，理论能量密度大约是锂离子电池的2-10倍[3,12,39]。在不同类型的金属空气电池中，水性锌空气是一种相对成熟的技术，拥有对未来能源应用的最大潜力。自十九世纪末以来其原电池一直为科学界所熟知，在19世纪30年代开始出现商业产品。锌空气电池的理论能量密度很高,约为1086Whkg-1，比当前的锂离子技术高约五倍[40]。它们可以以极低的制造成本进行生产（估计为10美元kW-1h-1，大约比锂离子电池低几个数量级）。应用方面，锌空气电池可提供任何一次电池系统中最高的能量密度。无论在技术上还是在生
第一章绪论4态上，锌空电池都被认为是取代电动汽车锂离子电池的最佳选择。然而尽管起步较早，潜力很大，锌空气电池的发展仍然受到很多问题与阻碍，特别是空气电极催化剂。至今，以高能量密度而低功率输出而著称的一次锌-空气电池最成功地实现了医疗和电信应用。另外，发展可充电锌空气电池，解决锌的不均匀溶解和沉积，制备令人满意的双功能空气催化剂仍是巨大的挑战[41-49]。1.3.1锌空电池基本结构及原理图1.3锌空电池结构图与反应原理。[3]Figure1.3Schematicprincipleofoperationforzinc–airbatteries.图1.2示意性地说明了锌空气电池的基本结构。它由锌负电极，隔膜和空气正极电极通过电解液组装在一起。电池放电时，锌的氧化会产生可溶的锌离子（即Zn（OH）42-）。这个该过程通常会持续进行直到完全转化为电解质，之后锌酸盐离子分解成不溶物氧化锌，如下式所示[1]:负极:Zn+4OH-→Zn(OH)42-+2e-Zn(OH)42-→ZnO+H2O+2OH-正极:O2+4e-+2H2O→4OH-总反应:2Zn+O2→2ZnO（1.6）与负极的氧化反应同时进行，锌与水之间会发生不可避免的副反应导致氢气产生。这会导致锌金属逐渐自腐蚀，并降低活性材料的利用率。在正极，来自周围大气中的氧气分子渗透到多孔气体扩散电极（GDE），并在电极表面的电催化
本文编号：3490508
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