氧還原反應（ORR）和氧析出反應（OER）是金屬-空氣電池以及燃料電池的關(guān)鍵反應。陰極催化劑決定了器件的功率密度。雖然貴金屬（如Pt）和金屬氧化物（如RuO₂和IrO₂）是ORR和OER最有效和最廣泛使用的催化劑,但它們的高成本,對甲醇的低耐受性和有限的穩(wěn)定性顯著阻礙了它們在大規(guī)模能源設備中的應用。因此,開發(fā)具有高活性和強耐久性的低成本催化劑對ORR和OER極為重要。分級多孔碳材料因其良好的導電性能和獨特的網(wǎng)絡多級孔道結(jié)構(gòu)對電解液的浸潤、電催化傳質(zhì)過程及電化學性能提升起到關(guān)鍵作用,而廣泛應用于化學儲能及動力電池器件等新能源領(lǐng)域。多孔碳納米材料具有相互連通的多級孔道結(jié)構(gòu),不僅可以縮短離子在碳材料中的傳輸距離,而且碳基質(zhì)還提供了一個連續(xù)快速電子傳輸?shù)穆窂?且其結(jié)構(gòu)互連性保證了該材料具有更高的電導率和更好的機械穩(wěn)定性。因此,開發(fā)過程簡易以及催化活性高的納米多孔碳材料制備技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。本論文從構(gòu)建新型、高效的生物質(zhì)碳基電催化劑方面進行了研究,具體內(nèi)容如下:1.通過直接轉(zhuǎn)化天然生物質(zhì)桉木制備了具有高強度,多級孔隙結(jié)構(gòu)氮摻雜催化劑。通過使用酶選... 

【文章來源】：華南理工大學廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：210 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

基于電催化的可持續(xù)能源格局[1]

第一章緒論321%的氧氣。氧氣可以通過植物的光合作用不斷產(chǎn)生，因此，金屬-空氣電池正極有著無限的容量。其次，作為活性物質(zhì)的氧氣處于金屬-空氣電池的外部，進一步提高了金屬-空氣電池的理論比能量。（2）相比于其他類型電池，金屬-空氣電池的性能也更加穩(wěn)定。金屬-空氣電池能工作在較高的電流密度下，如果將作為空氣電極活性物質(zhì)的氧氣濃度提升，則可以在更高的電流密度下工作。圖1-2金屬-空氣電池中各種金屬陽極的理論比能，體積能量密度和標稱電池電壓[14]Fig.1-2Theoreticalspecificenergies,volumetricenergydensities,andnominalcellvoltagesforvariousmetalanodesinaqueousandnon-aqueousmetal-airbatteries[14]金屬-空氣電池中各種金屬陽極的理論比能（即質(zhì)量能量密度）、體積能量密度和標稱電池電壓，如圖1-2所示。對于二次金屬-空氣電池，金屬鋰被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N陽極材料，因為它具有最高的理論比能（5928Whkg-1）和高電池電壓（標稱2.96V）。然而，當其暴露于空氣和含水電解質(zhì)時，金屬鋰具有不穩(wěn)定性的缺點[10]。鎂和鋁-空氣電池都與含水電解質(zhì)兼容，并且具有與鋰-空氣電池相當?shù)哪芰棵芏�。然而，它們的低還原電位通常會導致電池快速自放電和較低的庫侖效率[11]。鋅和鐵可以更穩(wěn)定地在水系電解液中充電，其中，鋅因其在水系金屬-空氣電池中具有更高的能量密度和電池電壓而受到更多的關(guān)注。同時鋅在地殼中含量豐富且價格低廉。更重要的是，鋅-空氣電池具有相對高的理論比能量密度（1218Whkg-1）和與鋰-空氣電池相當?shù)捏w積能量密度（6136WhL-1）。高體積能量密度對于移動和便攜式設備（如電動汽車和個人電子設備）

沙淶縲?空氣電池可分為機械可充電式和電力可充電式。機械充電的鋅-空氣電池，是通過去除廢鋅并重新供應新的鋅陽極來實現(xiàn)對電池充電。這避免了鋅電極可逆性差和雙功能空氣電極不穩(wěn)定的問題。然而，由于建立鋅供應站網(wǎng)絡的高成本，這個理念從未被廣泛采用。最成功的電力可充電鋅-空氣電池采用流動電解質(zhì)設計，大大提高了鋅電極的耐用性。但由于空氣電極上的氧還原反應具有較大的熱力學阻力導致它的功率密度較低，如何提高其功率密度是一直以來待解決的一個問題。此外，在充電反應期間空氣電極的腐蝕是另外一個關(guān)鍵問題。圖1-3一種水系可充電鋅空氣電池充電狀態(tài)示意圖[14]Fig.1-3Schematicofanaqueousrechargeablezinc-airbatteryatchargingstatus[14]鋅-空氣電池通常由四個主要組件組成：空氣電極，包括具有催化劑涂層的氣體擴散層(GDL)、堿性電解質(zhì)、分離隔膜和鋅電極[16,17]�？沙潆婁\-空氣電池的原理如圖1-3所示。在放電過程中，鋅-空氣電池在堿性電解液存在的情況下，通金屬過鋅與空氣電極的電化學耦合，起到發(fā)電的作用。鋅電極釋放的電子通過外部負載到達空氣電極，失去電子的鋅生成鋅離子。同時，大氣中的氧擴散到多孔的空氣電極中，在氧(氣體)、電解質(zhì)(液體)、電催化劑(固體)的界面處，通過氧還原反應，還原為氫氧根離子。生成的氫氧根離子從陰極遷移到鋅電極，形成鋅酸鹽(Zn(OH)42-)離子，然后進一步分解為氧化鋅（ZnO）。在充電過程中，鋅-空氣電池能夠通過發(fā)生在電極-電解質(zhì)界面的氧析出反應(OER)儲存電能，而鋅沉積在鋅電極表面�？偟姆磻梢院唵蔚孛枋鰹閆n與O2結(jié)合形成ZnO[18,19]。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Sulphur-doped ordered mesoporous carbon with enhanced electrocatalytic activity for the oxygen reduction reaction[J]. Liping Wang,Weishang Jia,Xiaofeng Liu,Jingze Li,Maria Magdalena Titirici.  Journal of Energy Chemistry. 2016(04)
[2]高活性的非金屬多孔氮摻雜碳納米管氧還原及析氧反應催化劑(英文)[J]. 潘婷,劉紅纓,任廣元,李玉南,鹿現(xiàn)永,朱英.  Science Bulletin. 2016(11)

博士論文
[1]質(zhì)子交換膜燃料電池非貴金屬陰極催化劑的制備及性能研究[D]. 林玲.中國科學技術(shù)大學 2017
[2]多孔碳材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控、功能化及電催化應用研究[D]. 李冕.東北師范大學 2017
[3]生物質(zhì)衍生摻雜碳基催化劑的制備及其氧還原電催化性能的研究[D]. 劉芳芳.華南理工大學 2015



本文編號：3056761