不斷加深的能源和環(huán)境危機加速了人們迫切發(fā)展低成本、便攜式、高可靠新能源技術(shù)的需求。可逆燃料電池和可逆金屬-空氣電池具有價格低廉、環(huán)境清潔和能量密度高等優(yōu)勢,被認(rèn)為是很有前景的能源轉(zhuǎn)化器件。但是,氧電極上氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）的緩慢速率限制了這些器件的快速穩(wěn)定提供電能。鉑、釕雙電催化劑分別對ORR和OER表現(xiàn)出較高的電催化活性,但其地球儲量稀缺、價格昂貴及循環(huán)穩(wěn)定性差等缺點限制了它們的實際應(yīng)用。因此,開發(fā)廉價、高效的雙功能催化劑對于推動可逆燃料電池和可逆金屬-空氣電池的實際應(yīng)用具有極其重要意義。為了構(gòu)建高效的非貴金屬雙功能電催化劑,本論文工作利用NaCl模板法,以乙二胺四乙酸二鈉（EDTA-2Na）和植酸（PA）作為碳源、氮源和磷源,合成了氮、磷雙摻雜多孔結(jié)構(gòu)碳負載氧化鈷的兼具ORR和OER催化活性的雙功能電催化劑。通過調(diào)節(jié)EDTA-2Na和PA的比例調(diào)控碳載體的多孔結(jié)構(gòu)及其ORR電催化性能;通過金屬鈷離子與EDTA-2Na和PA的共同絡(luò)合實現(xiàn)納米氧化鈷的均勻負載,以提升OER催化性能。本論文工作研究內(nèi)容包括以下三個方面。（1）為增大催化劑的表面積、提高催化活性位點數(shù)... 

【文章來源】：廣西師范大學(xué)廣西壯族自治區(qū)

【文章頁數(shù)】：94 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

（A）可再生燃料電池和（B）金屬-空氣電池的示意圖

廣西師范大學(xué)碩士學(xué)位論文2Ru）來進行高效轉(zhuǎn)化，然而，貴金屬基電催化劑昂貴的成本、有限的儲量和較差的穩(wěn)定性，使其無法用于大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。[10]此外，用于ORR反應(yīng)中的Pt基電催化劑，其甲醇耐受性極差。因為其在催化過程中容易產(chǎn)生CO來與Pt的活性位點相結(jié)合，使Pt基電催化劑的活性隨著時間的推移，而變得極其不穩(wěn)定，從而降低了其催化ORR反應(yīng)的能力。因此，為了顯著降低成本并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，研究人員極力于開發(fā)穩(wěn)定、高活性、低成本的非貴金屬電催化劑，以使非貴金屬電催化劑完全替代貴金屬電催化劑。圖1.2燃料電池和金屬-空氣電池所需的金屬氧電催化劑Fig.1.2Metaloxygenelectrocatalystsrequiredforelectrochemicalenergystoragedevices1.2電催化反應(yīng)機理1.2.1氧還原反應(yīng)機理氧還原反應(yīng)（ORR），指的是在溶液中氧氣被還原成氫氧根OH-的過程，科研人員仍然沒有獲得ORR反應(yīng)機理的明確結(jié)論。，氧還原反應(yīng)被認(rèn)為是一個復(fù)雜的多步電子轉(zhuǎn)移過程，主要通過兩種反應(yīng)路徑進行，即四電子（4e-）反應(yīng)路徑和兩電子（2e-）反應(yīng)路徑。在酸堿性不同的電解液中，ORR的反應(yīng)機理也各不相同，其具體反應(yīng)路徑如下所示：1、在酸性電解液中（1）四電子（4e-）反應(yīng)路徑O2+4H++4e-→2H2O（E=1.229V）(1.1)（2）兩電子（2e-）反應(yīng)路徑O2+2H++2e-→H2O2（E=0.7V）(1.2)H2O2+2H++2e-→2H2O（E=1.76V）(1.3)

嗔詰穆芬姿辜钚蘊莢?郵塹?粼猶疾牧現(xiàn)械牡绱呋疧RR中心，而不是吡啶氮本身。最近兩年，Zhao等人[86]設(shè)計、合成了一種具有三明治碳層結(jié)構(gòu)的氮摻雜碳基催化劑。由于吡啶氮具有高活性、可摻雜進入碳材料的缺陷位點和邊緣位點的特點，石墨烯基底上的超薄多孔碳層具有豐富的缺陷和邊緣位點，該研究采用超薄多孔碳層引入了高含量的吡啶氮，可高溫原位氣化的鋅原子來構(gòu)筑碳層的多孔結(jié)構(gòu)，石墨烯基底提供化學(xué)穩(wěn)定性和電子傳輸能力。使得該催化劑在酸性和堿性電解質(zhì)中均具有與商業(yè)化貴金屬基催化劑相當(dāng)或更優(yōu)異的ORR、OER性能。圖1.3不同含氮官能團的結(jié)構(gòu)和結(jié)合能Fig.1.3Structureandbindingenergyofdifferentnitrogen-containingfunctionalgroups（2）非氮雜原子摻雜碳催化劑除了氮原子外，其他雜原子（例如：P、S、B等）摻雜的納米碳材料也被廣泛研究。由于這些雜原子（例如：B=2.04和P=2.19）與碳原子（2.55）電負性之間的差異，當(dāng)這些雜原子摻雜進入碳骨架中時，可能使相鄰的碳原子極化，從而形成帶正負電的中心，促進了氧還原反應(yīng)的催化過程。對于不同原子的尺寸和電負性差異，使用不同的雜原子進行摻雜會產(chǎn)生不同的效果。對于碳原子而言，磷和硫原子具有更大的原子半徑和更小的電負性，磷和硫摻雜都可使碳骨架中產(chǎn)生缺陷位點，從而更易于容納氧氣分子的孤對電子，促


本文編號：3101170