非贵金属碳基氧还原/析出双效催化剂设计与性能研究
太阳能、风能、潮汐能等可再生能源电力具有不连续、不稳定特性，需要配套大规模储能设备。锌-空气液流电池安全性高、成本低、寿命长，是最理想的储能技术之一。但是锌-空气液流电池正极氧还原和氧析出反应动力学缓慢，导致电池能量转化效率低，急需开发廉价、高效的双功能催化剂。碳基催化剂具有优良的导电性，功能易调控，生产成本低等优势，但碳基催化剂活性位密度低，催化活性仍有待提高。本论文围绕非金属和非贵金属碳基双效催化剂展开研究，设计构筑高密度活性位点，并系统的研究了催化剂的结构与组成，探究了其催化氧还原与氧析出反应性能，主要研究成果如下: 1.发展了主客体策略制备氮、硼共掺杂碳材料的方法。利用主客体的合成策略将含硼客体分子（苯硼酸）封装在沸石咪唑骨架ZIF-8的孔笼之中，通过调整苯硼酸比例，可以优化杂原子与碳原子的最佳配比，经高温热解制备一系列非金属碳基双效催化剂(B-N-C)，并用于催化氧还原/析出反应。结果表明:苯硼酸中硼原子占ZIF-8中锌原子的比例为30％，经二步碳化，裂解温度在1100℃时，制备的催化剂（30％B-N-C-1100）具有最好的氧还原催化性能(E1/2=0.82V vs.RHE)和氧析出催化性能（Ej=10mA/cm2=1.77V vs.RHE）。 2.为进一步提高催化剂的氧还原与氧析出活性，在上述基础上，通过离子交换，利用铁置换ZIF-8骨架中的锌，研究了苯硼酸分子对铁物种结构与含量的影响。研究表明:当苯硼酸中硼原子占ZIF-8中锌原子的20％，添加50mg的六水氯化铁时，可以避免金属原子团聚，使催化剂中铁负载量高达5.49wt％，增加了活性位密度。同时，中空结构加强了传质，提高了活性中心利用率。因此制备的催化剂具有高效的催化性能，催化氧还原反应的半波电位为0.89V(vs.RHE)，催化氧析出反应产生10mA cm-2的电流仅需0.55V的过电位。 3.单原子铁含量的进一步提升。探索金属原子分散与团聚的临界点，深入探究客体分子与金属原子之间的作用关系。结果表明:苯硼酸分子可以与铁离子形成相互作用，可以防止铁在煅烧过程中的团聚。苯硼酸含量在20％，添加110mg的六水氯化铁时，金属原子仍然处于高分散的状态，没有发生金属迁移导致团聚的现象，单原子铁含量可达8.65wt％。
锌空气液流电池;正极材料;非贵金属催化剂;制备工艺;催化性能
北京化工大学
硕士
化学工程
程元徽;赵平
2020
中文
TM911;TM242
2020-11-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）