氧气电催化剂中的金属杂化碳协同界面研究及其在锌空气电池中的应用VIP专享

氧气电催化剂中的金属/杂化碳协同界面研究及其在锌空气电池中的应用摘要随着人类社会对可持续发展的要求越来越高和环境污染问题的日益严重，开发资源节约型和环境友好型的清洁能源对于社会经济的发展是至关重要的。可充电的锌空气电池在工作的时候涉及着充电过程的氧气析出反应（OER）和放电过程的氧气还原反应 (ORR)，而电解水装置涉及着正极的 OER 过程和负极的氢气析出（HER）过程。因此需要制备这种具有 OER/ORR 双功能和 OER/HER 双功能的电催化剂将其应用在能源装置上。然而铂基和钌基等贵金属催化剂具有杰出的性能，但由于资源缺乏，稳定性差和价格昂贵等缺点，而不能将其大规模地应用。因此需要去制备一些清洁，高效，无污染的非贵金属催化剂来替代那些贵金属催化剂。本文将通过三部分来探索被制备的金属/杂化碳电催化剂应用在锌空气电池中所表现出来的性能。首先，将尺寸受限的 Co-B-O 纳米片负载在 N，P 双掺杂的碳纳米片上并协同构建了 ORR，OER 和 HER 这种三功能的电催化剂。研究发现 B 元素不仅可以作为一种媒介将二种异质界面紧密地连接起来，同时作为一种还原剂也可以有效地抑制吡啶氮-氧化合物的含量。电化学测试表明所制备的 Co-B-O/NPC-50％催化剂具有优异的 ORR/OER/HER 催化活性。此外，对于某些能量转换设备，Co-B-O/NPC-50％催化剂还具有出色的适用性，其作为空气电极的锌空气电池拥有 110.7 mW/cm2的功率密度和超过 60 小时稳定的充放电循环。其次，探索了新颖的低成本生物质路线以制备形状可设计的 3D 碳泡沫。这种碳泡沫具有铁磁性，吸油性，重量轻的特点并具有与钴点，氮化石墨烯和纤维交织的三维碳网络。钴点被封装在外部的石墨化碳壳中。经过高温碳化的钴-碳纳米笼的核壳结构紧凑并通过 Co-N 键连接。Co-N 键进一步活化了碳壳并提高了 ORR 催化性能。电化学测试表明，Co-NCF 催化剂表现出优异的 ORR 性能，具有更大的极限电流密度（5.74 mA/cm2），较高的起始电位（0.91 V），较高的半波电位（0.83 V）和长期稳定性。用作空气阴极催化剂的锌空气电池表现出高的功率密度和放电容量。最后，采用一种新颖的引入硼元素的方法制备了多掺杂的金属碳催化剂。研究发现仅引入少量的硼就可以显著地保留催化剂中的氮含量，钴与杂原子的结合能力得到改善。杂原子与金属钴之间的优化键合模式进一步提高了 ORR 的性能。电化学测试表明，所制备的 Co-NBSC 催化剂的起始电势为 0.93 V，半...