论文部分内容阅读
空气电极的缓慢动力学阻碍可充电金属-空气电池商业化应用,因此,研究者们竭力寻求高效的双功能催化剂。过渡金属/金属氧化物-纳米碳复合材料具有优异的氧还原/氧生成(ORR/OER)催化性能,成为最有前景的双功能催化剂。但是双功能催化剂的发展还存在一些问题:(1)合成方法繁琐,增加生产成本;(2)催化剂活性位点未得到充分暴露,需合理构造材料的结构;(3)活性组分与组分/载体间的界面作用力较弱,降低催化剂反应活性和稳定性。针对以上问题,本文具体研究内容如下:(1)首先以类石墨相氮化碳(g-C3N4)为二维模板,酞菁钴(CoPc)为单一源,原位合成担载四氧化三钴纳米颗粒的掺氮石墨烯(Co3O4/NG)催化剂。但是圆盘电极(RDE)测试结果表明,Co3O4/NG不能同时具备ORR/OER催化活性。于是我们将Co3O4和Co/NG各自调整后再进行整合,优化其结构和电催化性能。与30 wt%铂碳(Pt/C)相比,制得的Co3O4@NG催化剂具有相媲美的ORR活性和优越的OER活性,电流密度10 mA/cm2时对应的电极电位为0.76 V vs.SCE。(2)以金属盐和2-甲基咪唑为原料,采用自牺牲模板法制备核壳结构Co3O4@NC双功能催化剂。首先以ZnCoZIF为自牺牲模板,碳化产物掺氮的碳(NC)作为核,层状双金属氢氧化物(Co-LDH)作为壳。核壳结构Co3O4@NC催化剂的电子转移数为3.78,且电流密度10 mA/cm2时对应的电位为0.72 V vs.SCE,是出色的双功能催化剂。同时,我们结合构效关系分析催化剂的双功能活性。(3)以金属盐和2-甲基咪唑为原料,ZnCoZIF为模板,采用外延生长法制备具有强耦合界面的核壳结构钴、氮共掺杂碳(Co/NC)双功能催化剂。核壳结构和外延生长法的引入,促进物质/电子传输同时增强界面作用,从而提升催化剂的电化学活性和稳定性。核壳结构Co/NC-900-900催化ORR的极限扩散电流密度为-4.75 mA/cm2;催化OER时,电流密度10mA/cm2时的电位为0.72 V vs.SCE,均低于30 wt%Pt/C的-5.58 mA/cm2和0.91 V vs.SCE。