不斷增長的能源需求激發(fā)了人們對低成本、可再生清潔能源技術(shù)的濃厚興趣,如金屬-空氣電池和燃料電池。電催化氧還原反應(yīng)作為這些清潔能源裝置的陰極半反應(yīng),一定程度上決定了這些能源器件的性能。但是,氧還原反應(yīng)復(fù)雜的四電子反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)致其動力學(xué)過程非常遲緩,嚴(yán)重影響了化學(xué)能源器件的能量轉(zhuǎn)化效率。因此,開發(fā)高效的氧還原催化劑來提高陰極反應(yīng)效率是十分必要的。鐵-氮-碳（Fe-N-C）材料作為一種具有高度類鉑活性的廉價替代材料,最近引起了人們的極大興趣。盡管活性位點(diǎn)FeN₄結(jié)構(gòu)的電子組態(tài)在很大程度上決定了鐵-氮-碳催化劑的氧還原反應(yīng)動力學(xué),但通過對其電子結(jié)構(gòu)調(diào)制來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鐵-氮-碳催化劑本征活性的提升仍缺乏有效的策略。MXenes作為一種新的二維材料體系,具有高導(dǎo)電性、良好的表面親水性和電負(fù)性以及機(jī)械穩(wěn)定性。特別地,通過改變MXenes的晶體結(jié)構(gòu)和表面端基的變化,可以調(diào)控其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu),從而賦予了MXenes近表面化學(xué)環(huán)境對催化劑的電子結(jié)構(gòu)的可調(diào)性。此外,由于特殊的形貌結(jié)構(gòu),它們還可以作為電催化反應(yīng)過程中的電荷儲存站,從而保證電化學(xué)反應(yīng)高效持續(xù)的進(jìn)行。因此,MXenes是一種有前... 

【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

基于電催化的可持續(xù)能源示意圖[2]

4圖1-2ORR電催化機(jī)制路徑。黑球代表催化劑的原子，紅球代表氧原子，白球代表氫原子，黃色箭頭表示OO鍵離解，藍(lán)色箭頭表示質(zhì)子或電子轉(zhuǎn)移[20]（1）OO鍵直接斷裂，生成兩個O*中間體，然后分別還原為OH*和H2O，稱為離解途徑,具體反應(yīng)途徑去下：O2+2*→2O*（1-7）2O*+2H++2e-→2OH*（1-8）2OH*+2H++2e-→2H2O+2*（1-9）（2）O2*首先耦合質(zhì)子形成OOH*中間體，然后OO鍵被斷裂并還原為H2O，這種被稱為結(jié)合途徑，具體反應(yīng)途徑如下：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鍵分裂前耦合兩個質(zhì)子依次產(chǎn)生OOH*產(chǎn)生HOOH*，通過兩個電子還原，很有可能釋放H2O2。

5研究表明通過分析反應(yīng)過程的自由能壘，可以得到氧氣還原的途徑類型。密度泛函理論（DFT）模擬表明，當(dāng)催化劑表面氧密度較低時，O2離解途徑在催化劑具有最低的反應(yīng)自由能壘，并且是整個ORR催化過程的決速步；當(dāng)催化劑表面氧密度較高時，氧氣結(jié)合途徑具有最低能壘，也成為了ORR的主要機(jī)理途徑。此外，Norskov等人所提出的，各種中間體（例如O*、OOH*、OH*）的吸附可能也是ORR動力學(xué)上的關(guān)鍵步驟。一定的反應(yīng)過程能壘，適度的氧氣以及一些中間體在催化劑表面的吸附能力對ORR的效率和性能起著至關(guān)重要的作用[21]。1.2.2電催化氧還原反應(yīng)的應(yīng)用1.2.2.1金屬-空氣電池圖1-3（a）金屬-空氣電池的結(jié)構(gòu)以及原理示意圖；（b）金屬-空氣電池類型[7]由于其超高的理論輸出能量，金屬-空氣電池是一種在應(yīng)用于下一代電子產(chǎn)品、電氣化運(yùn)輸和智能電網(wǎng)儲能領(lǐng)域具有廣闊前景的二次能源轉(zhuǎn)換裝置，使人們對其產(chǎn)生了很高的期望以及濃厚的研究興趣。圖1-3a展示了金屬-空氣電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及原理示意圖。金屬-空氣電池最突出的特點(diǎn)是結(jié)合了高能量密度的金屬陽極和開放式結(jié)構(gòu)的空氣電極，從空氣中提取陰極活性材料（即氧氣）[7,8,22]。圖1-3b展示了常見的幾種金屬-空氣電池類型。在不同類型的金屬-空氣電池中，一次鋅-空氣電池已作為助聽器電池商業(yè)化；鋁-空氣和鎂-空氣電池也在軍事應(yīng)用中，并作為鹽水系統(tǒng)正在開發(fā)中。金屬-空氣電池由金屬陽極、空氣陰極和浸泡在金屬離子導(dǎo)電電解質(zhì)中的分離器組成[7]。在基礎(chǔ)化學(xué)學(xué)科中，當(dāng)電池放電時，金屬陽極被氧化并釋放電子到外部電路。同時，O2擴(kuò)散到陰極，接收電子，并還原為含氧物質(zhì)。解離的金屬離子和氧

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]BP世界能源展望（2018年版）發(fā)布[J]. 李春梅.  中國能源. 2018(04)



本文編號：3376977