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《天津理工大学》 2019年
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3D碳骨架支撑钴镍合金纳米颗粒作为可充锌-空气电池的双功能氧电催化剂

万文君  
【摘要】:现代社会快速增长的能源需求造成巨大的经济挑战和环境压力。为了改善这种情况,可再生资源的利用至关重要。限制可再生资源发展的一个关键因素就是成本压力。可充锌-空气电池由于成本低、环境友好、安全性能高等优势受到人们的广泛关注,在电动汽车,便携式电源以及大型储能方面具有广阔的应用前景,是发展绿色清洁能源的重要产业方向。对于工业化大规模生产可充电锌-空气电池,一方面需要开发具有低成本、高活性的双功能氧电催化剂;另一方面需要合理设计空气电极的制备方法,发挥催化剂的最大催化效果,提升电池的性能。本论文从锌-空气电池的催化剂开发和电极制备两个角度探索研究空气电极。本实验以蝴蝶翅膀衍生物为前驱体,通过水热法掺杂过渡族金属钴、镍离子,随后进行高温碳化获得催化材料。碳化过程中蝴蝶翅膀转变为三维碳骨架,钴镍基混合物生成CoNi合金纳米颗粒。实验对各原料配比进行调节,优化催化剂性能,最终获得3D碳骨架支撑CoNi合金纳米颗粒双功能氧电催化剂(CoNi/BCF)。在氧还原反应中CoNi/BCF催化剂的半波电位达到0.80 V,与商业铂碳只差20 mV。但是稳定性和抗甲醇能力远优于商用铂碳催化剂。在氧析出反应中,10 mA cm~(-1)的电流密度下CoNi/BCF过电位为340 mV,远远小于商用催化剂氧化铱的过电位530 mV。其双功能性能ΔE_((ORR–OER))=0.80 V明显优于贵金属催化剂。随后我们将该催化剂应用到自制可充锌-空气电池上,采用喷涂法负载催化剂,并对空气电极做了改装。组装的可充锌-空气电池开路电压达到1.48 V,放电最大功率密度达到155.1 mW cm~(-2),在10 mA cm~(-1)的电流密度下,电池稳定充放电达180次而性能几乎没有衰减。本文充分利用生物质丰富的元素以及天然优化的智能结构与过渡族金属掺杂,将两者合为一体,形成协同作用。蝴蝶翅膀的智能结构赋予催化剂大的表面积,暴露了大量的活性位点,有利于电子传质,也对合金纳米颗粒的起到锚定的作用。同时CoNi合金纳米颗粒优化氮掺杂碳骨架的电子构型和反应途径,提高催化剂导电性,从而改善催化剂电化学性能。该经济高效稳定的催化剂在自制可充锌-空气电池上的成功应用也为后续开发设计能量转化存储装置开辟了新思路。
【学位授予单位】:天津理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM911.41;TB383.1

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