论文部分内容阅读
锌-空气电池具有比能量高、容量大、成本低等优点,在储能和电动汽车等领域具有良好的应用前景。锌-空气电池的核心材料是兼具氧还原(ORR)和氧析出(OER)活性的双功能催化剂,目前多采用贵金属(如Pt,RuO2和IrO2等),但受制于成本高昂和储量有限,阻碍了锌-空气电池的商业化。因此,研究开发高效的非贵金属双功能催化剂具有重要意义。本文将具有微观有序多级结构的生物质牛骨进行碳化,制备了原位氮掺杂分级多孔炭(NHPC)材料,以NHPC为载体担载四氧化三钴(Co3O4)纳米粒子,制备了 Co3O4/NHPC双功能催化剂,研究了 Co3O4/NHPC催化剂制备条件、组成结构对ORR和OER电催化性能的影响规律。首先,以牛骨为前驱体,采用KOH为活化剂,通过预碳化-碳化活化制备了高表面积且微孔-介孔-大孔三维连通的NHPC。研究发现,当KOH与预碳化产物质量比为0.4时,制备的NHPC比表面积最大(2047 m2g-1),氮掺杂量为3.85%。在此基础上,以NHPC为载体担载Co3O4纳米粒子,采用油浴水热法制备了 Co3O4/NHPC复合催化剂。NHPC的超高比表面积和表面氮掺杂有利于促进Co3O4纳米粒子高度分散。当油浴温度80℃,氨水加入量1mL时,Co3O4纳米粒子均匀地分散在炭载体上,其平均粒径为7.2 nm,明显小于商业Vulcan XC-72和BP2000炭材料担载制备的催化剂。该催化剂同时保有了NHPC三维连通的孔道结构,比表面积高达1070 m2g-1,氮含量为4.93 wt.%。其次,将制备的Co3O4/NHPC作为ORR和OER双功能催化剂,揭示了电催化性能促进机制。研究表明,Co3O4/NHPC催化剂的ORR催化活性和稳定性均显著优于商业Pt/C,其半波电位为0.835 V(比商业Pt/C高12 mV),0.8 V的动力学电流密度为15.85 mAcm-2(为商业Pt/C的3.76倍),经10000 s恒电位计时电流测试后电流仅下降9.3%。OER性能测试表明,该催化剂在电流密度为10 mAcm-2时的电位为1.65 V,比商业RuO2高10 mV,经10000 s恒电位计时电流测试后电流仅下降8.2%,表现出优于商业RuO2的OER催化活性和稳定性。Co3O4/NHPC催化剂优异的ORR和OER双功能催化活性主要归因于高分散的Co3O4纳米粒子、三维连通的分级孔结构、高表面积以及具有协同催化作用的表面掺杂氮。最后,将Co3O4/NHPC催化剂制备空气电极,采用锌片为阳极组装锌-空气电池,进行了电池性能测试。结果表明,锌-空气电池开路电压达到1.39 V,峰值功率密度为80 mW cm-2,显著高于商业Pt/C作为空气电极材料组装的单电池(55.6 mW cm-2);在电流密度为20 mA cm-2时,电池比容量为674 mAh gZn-1(对应能量密度768 Wh kg-1Zn),比商业Pt/C组装的单电池高156 mAhgZn-1。该电池可在机械充电过程中稳定运行38 h。