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高性能双功能催化剂材料应用于锌空气电池

王晨  
【摘要】:为了响应国家号召,贴合政府政策方针,解决现代社会上日益增长的能源短缺问题和环境保护问题所带来的压力,我们为促进替代能源的转换和能量存储相关技术的发展在研究过程中付出了巨大的努力。在过去的研究中,人们不断探索,研究和发展更高能量密度、更经济、更安全的电池技术,促使了人们对改进可充电电池的发展进行了一系列的研究。锌-空气电池,由于成本低廉和环境友好性而被认为是未来发展所需要的环保型电池。对于锌-空气电池,碱性条件下氧的电化学还原(ORR)和析出(OER)是锌空气电池充放电的基本途径,所以反应中高活性、高耐久能力的电催化剂是必不可少的,为了实现锌空气电池高利用率和循环性,需要设计具有高活性和稳定性的双功能氧催化剂材料,进一步增强锌空气电池的性能,以提高电池的能量效率和使用寿命。本文在锌-空气电池空气阴极的最新双功能氧催化剂研究进展的基础上加以改性,对可充电锌空气电池的一些基本认识以及ORR和OER的电催化机理也作了简要的讨论。以生物质基质为前驱体的碳材料资源丰富,很多有机体都可以作为碳源,其价格也相对较低,并且易于获得,同时生物碳结构稳定,不易发生变化。优良的催化剂载体可以促进催化剂-载体协同作用,加快电化学反应。本文采取生活中常见的鱼鳞,柳絮作为生物碳的前驱体载钴,并分别对其电催化性能,充放电性能进行研究比较。由于过渡金属氧化物具有良好的导电性和稳定性。近年来含锰、钴、镍的尖晶石氧化物为主的过渡金属氧化物在研究中被认为是在碱性介质中促进ORR和OER过程的有效电催化剂,这种催化剂材料为ORR和OER提供了良好的电催化活性。本文使用固相研磨法分别合成了二元过渡金属氧化物MnCo_2O_4和NiCo_2O_4作为锌空气电池的催化剂,通过对其性能的测试分析讨论了两者的性能。最后,对块状结构的MnCo_2O_4进行了优化改性,合成了中空结构的MnCo_2O_4,并研究了其电极催化性能与在锌空气电池中的充放电性能。使用旋转圆盘电极测试了中空结构的MnCo_2O_4的线性扫描伏安曲线,同时比较了中空结构的MnCo_2O_4与块状结构的MnCo_2O_4线性扫描伏安曲线及所绘制的相应的K-L方程斜率及塔菲尔斜率。优化改性后所合成的中空结构的MnCo_2O_4催化剂材料表现出较好的充放电循环性能。总的来说,经过多次的实验结论,以及其他研究者的成果来看,锌空气电池具有良好的性能以及巨大的发展空间,有望成为储能及移动设备的主要能量来源。


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