非贵金属氧还原电催化剂的非碳化策略制备与性能研究
金属-空气电池/燃料电池等清洁能量存储与转换装置由于具有较高的能量转换效率以及绿色环保等特征成为研究热点。但目前仍需要使用贵金属Pt基催化材料来加速其阴极氧还原缓慢的动力学反应。贵金属材料价格高昂并且储有量低，因而开发高性能的非贵金属电催化剂有助于降低电池系统的成本。尽管当前部分碳化的非贵金属催化材料达到的电催化活性可与Pt基催化剂相媲美，但由于高温煅烧过程蕴含诸多不确定性，对催化剂的反应机理理解以及高通量合成带来了新的挑战。探索无需高温热解的合成方法来获得结构明确、性能优异的电催化剂是未来燃料电池规模应用的重要部分。基于此，本论文针对非贵金属氧还原电催化剂的非碳化方法制备开展研究，分别制备了在酸性条件下具备氧还原性能的单原子铁催化材料以及在碱性电解质中氧析出与氧还原性能卓越的双效电催化剂。主要研究成果及创新点如下: (1)采用双配体方法制备出新型氟化聚酞菁材料，与导电载体石墨烯复合后无需热解在酸性电解质中展现出良好的氧还原性能。通过调节两种配体合成过程中的比例以及负载量，得到了原子级分散的催化剂F3PFePc-2，单原子铁载量可达2.5wt％，在0.5MH2SO4电解液中测试半波电位可达0.73V。 (2)为深入探究其氧还原活性提升原因，结合密度泛函理论计算，揭示了第二配体的引入改变了活性中心Fe-N4周围的环境。具有吸电子效应的F原子的掺杂，使Fe-N4活性中心与氧中间体的结合能降低，进而导致氧中间体在催化剂表面更易解离，从而加速氧还原进程。这种电子调控策略来提升催化活性的方法为其他非碳化型高效碳基氧还原催化剂的设计提供了指导。 (3)发展了多元混合制备具有氧还原与氧析出双功能电催化剂的策略。我们将具有优异氧还原活性的聚酞菁铁材料与具有超群氧析出活性的水滑石材料复合于导电载体碳纳米管上，得到了具有高效性能的双效电催化剂。结果表明:调控CNT、pFePc、NiFe-LDH三者质量比为1∶1∶2时，合成的复合催化剂(CPL-112)在0.1MKOH碱性电解液中显现出杰出的双效催化活性(△E=0.68Vvs.RHE)。作为组装锌-空气液流电池的阴极催化剂，测试峰值放电功率为104mWcm-2，10mAcm-2下充放电循环稳定运行可达120小时。综上，基于CPL-112的锌-空气电池具有卓越的性能，在金属-空气电池实际应用中产业化前景广阔。
锌-空气液流电池;氧还原反应;氧析出反应;非碳化策略;非贵金属催化剂
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
向中华
2021
中文
TM911.41
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）