酞菁铁电子结构调制及其电催化氧还原性能研究
发布时间：2021-09-01 12:25
不断增长的能源需求激发了人们对低成本、可再生清洁能源技术的浓厚兴趣,如金属-空气电池和燃料电池。电催化氧还原反应作为这些清洁能源装置的阴极半反应,一定程度上决定了这些能源器件的性能。但是,氧还原反应复杂的四电子反应机理导致其动力学过程非常迟缓,严重影响了化学能源器件的能量转化效率。因此,开发高效的氧还原催化剂来提高阴极反应效率是十分必要的。铁-氮-碳（Fe-N-C）材料作为一种具有高度类铂活性的廉价替代材料,最近引起了人们的极大兴趣。尽管活性位点FeN4结构的电子组态在很大程度上决定了铁-氮-碳催化剂的氧还原反应动力学,但通过对其电子结构调制来进一步实现铁-氮-碳催化剂本征活性的提升仍缺乏有效的策略。MXenes作为一种新的二维材料体系,具有高导电性、良好的表面亲水性和电负性以及机械稳定性。特别地,通过改变MXenes的晶体结构和表面端基的变化,可以调控其独特的电子结构,从而赋予了MXenes近表面化学环境对催化剂的电子结构的可调性。此外,由于特殊的形貌结构,它们还可以作为电催化反应过程中的电荷储存站,从而保证电化学反应高效持续的进行。因此,MXenes是一种有前...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于电催化的可持续能源示意图[2]
4图1-2ORR电催化机制路径。黑球代表催化剂的原子，红球代表氧原子，白球代表氢原子，黄色箭头表示OO键离解，蓝色箭头表示质子或电子转移[20]（1）OO键直接断裂，生成两个O*中间体，然后分别还原为OH*和H2O，称为离解途径,具体反应途径去下：O2+2*→2O*（1-7）2O*+2H++2e-→2OH*（1-8）2OH*+2H++2e-→2H2O+2*（1-9）（2）O2*首先耦合质子形成OOH*中间体，然后OO键被断裂并还原为H2O，这种被称为结合途径，具体反应途径如下：O2+2*→O2*（1-10）O2*+H++e-→OOH*（1-11）OOH*+H++e-→O*+H2O（1-12）O*+H++e-→OH*（1-13）OH*+H++e-→*+H2O（1-14）（3）O2*在OO键分裂前耦合两个质子依次产生OOH*产生HOOH*，通过两个电子还原，很有可能释放H2O2。
5研究表明通过分析反应过程的自由能垒，可以得到氧气还原的途径类型。密度泛函理论（DFT）模拟表明，当催化剂表面氧密度较低时，O2离解途径在催化剂具有最低的反应自由能垒，并且是整个ORR催化过程的决速步；当催化剂表面氧密度较高时，氧气结合途径具有最低能垒，也成为了ORR的主要机理途径。此外，Norskov等人所提出的，各种中间体（例如O*、OOH*、OH*）的吸附可能也是ORR动力学上的关键步骤。一定的反应过程能垒，适度的氧气以及一些中间体在催化剂表面的吸附能力对ORR的效率和性能起着至关重要的作用[21]。1.2.2电催化氧还原反应的应用1.2.2.1金属-空气电池图1-3（a）金属-空气电池的结构以及原理示意图；（b）金属-空气电池类型[7]由于其超高的理论输出能量，金属-空气电池是一种在应用于下一代电子产品、电气化运输和智能电网储能领域具有广阔前景的二次能源转换装置，使人们对其产生了很高的期望以及浓厚的研究兴趣。图1-3a展示了金属-空气电池的内部结构以及原理示意图。金属-空气电池最突出的特点是结合了高能量密度的金属阳极和开放式结构的空气电极，从空气中提取阴极活性材料（即氧气）[7,8,22]。图1-3b展示了常见的几种金属-空气电池类型。在不同类型的金属-空气电池中，一次锌-空气电池已作为助听器电池商业化；铝-空气和镁-空气电池也在军事应用中，并作为盐水系统正在开发中。金属-空气电池由金属阳极、空气阴极和浸泡在金属离子导电电解质中的分离器组成[7]。在基础化学学科中，当电池放电时，金属阳极被氧化并释放电子到外部电路。同时，O2扩散到阴极，接收电子，并还原为含氧物质。解离的金属离子和氧
【参考文献】：
期刊论文
[1]BP世界能源展望（2018年版）发布[J]. 李春梅. 中国能源. 2018(04)
本文编号：3376977
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于电催化的可持续能源示意图[2]
4图1-2ORR电催化机制路径。黑球代表催化剂的原子，红球代表氧原子，白球代表氢原子，黄色箭头表示OO键离解，蓝色箭头表示质子或电子转移[20]（1）OO键直接断裂，生成两个O*中间体，然后分别还原为OH*和H2O，称为离解途径,具体反应途径去下：O2+2*→2O*（1-7）2O*+2H++2e-→2OH*（1-8）2OH*+2H++2e-→2H2O+2*（1-9）（2）O2*首先耦合质子形成OOH*中间体，然后OO键被断裂并还原为H2O，这种被称为结合途径，具体反应途径如下：O2+2*→O2*（1-10）O2*+H++e-→OOH*（1-11）OOH*+H++e-→O*+H2O（1-12）O*+H++e-→OH*（1-13）OH*+H++e-→*+H2O（1-14）（3）O2*在OO键分裂前耦合两个质子依次产生OOH*产生HOOH*，通过两个电子还原，很有可能释放H2O2。
5研究表明通过分析反应过程的自由能垒，可以得到氧气还原的途径类型。密度泛函理论（DFT）模拟表明，当催化剂表面氧密度较低时，O2离解途径在催化剂具有最低的反应自由能垒，并且是整个ORR催化过程的决速步；当催化剂表面氧密度较高时，氧气结合途径具有最低能垒，也成为了ORR的主要机理途径。此外，Norskov等人所提出的，各种中间体（例如O*、OOH*、OH*）的吸附可能也是ORR动力学上的关键步骤。一定的反应过程能垒，适度的氧气以及一些中间体在催化剂表面的吸附能力对ORR的效率和性能起着至关重要的作用[21]。1.2.2电催化氧还原反应的应用1.2.2.1金属-空气电池图1-3（a）金属-空气电池的结构以及原理示意图；（b）金属-空气电池类型[7]由于其超高的理论输出能量，金属-空气电池是一种在应用于下一代电子产品、电气化运输和智能电网储能领域具有广阔前景的二次能源转换装置，使人们对其产生了很高的期望以及浓厚的研究兴趣。图1-3a展示了金属-空气电池的内部结构以及原理示意图。金属-空气电池最突出的特点是结合了高能量密度的金属阳极和开放式结构的空气电极，从空气中提取阴极活性材料（即氧气）[7,8,22]。图1-3b展示了常见的几种金属-空气电池类型。在不同类型的金属-空气电池中，一次锌-空气电池已作为助听器电池商业化；铝-空气和镁-空气电池也在军事应用中，并作为盐水系统正在开发中。金属-空气电池由金属阳极、空气阴极和浸泡在金属离子导电电解质中的分离器组成[7]。在基础化学学科中，当电池放电时，金属阳极被氧化并释放电子到外部电路。同时，O2扩散到阴极，接收电子，并还原为含氧物质。解离的金属离子和氧
【参考文献】：
期刊论文
[1]BP世界能源展望（2018年版）发布[J]. 李春梅. 中国能源. 2018(04)
本文编号：3376977
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