【摘 要】
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不可再生化石燃料的燃烧导致了严重的气候和环境问题,人类社会的可持续发展迫切需要更高效的能源转换和存储系统。而解决能源问题锌-空气电池的研发居于重要地位。虽然Pt族贵金属基催化剂具有优异的电催化活性,低的储存量和稳定性极大地限制了他们在上述电化学装置中的应用。因此,急需要研制出高性能的非贵金属电催化剂。近期,金属-有机框架（MOF）衍生的过渡金属基电催化剂由于具有高的孔隙率、大的比表面积及多活性中心
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不可再生化石燃料的燃烧导致了严重的气候和环境问题,人类社会的可持续发展迫切需要更高效的能源转换和存储系统。而解决能源问题锌-空气电池的研发居于重要地位。虽然Pt族贵金属基催化剂具有优异的电催化活性,低的储存量和稳定性极大地限制了他们在上述电化学装置中的应用。因此,急需要研制出高性能的非贵金属电催化剂。近期,金属-有机框架（MOF）衍生的过渡金属基电催化剂由于具有高的孔隙率、大的比表面积及多活性中心,成为人们研究的热点。且在MOF中掺杂非贵金属Fe、Ni具有更强的耐腐蚀性以及更高的催化活性。本文制备了MOF衍生的过渡金属与氮共掺杂的多孔碳材料作为氧电极反应的电催化剂,利用扫描电镜、透射电镜、X-射线衍射、X-射线光电子能谱和拉曼光谱等表征手段对所制备的材料的形貌和结构进行了分析,采用循环伏安法、线性扫描伏安法、计时电流法和加速耐久性测试等测试方法来研究所制备催化剂的电催化性能,现总结如下:1.通过在不同温度下乙酰丙酮铁@ZIF-9的热解,成功制备了新型的Fe-N-C-T（T代表热解温度）材料。经优化的Fe-N-C-900催化剂在碱性溶液中具有较好的氧还反应（ORR）催化活性,具有0.96 V vs.RHE的起始电位、0.84 V vs.RHE的半波电位以及5.5m A cm-2的极限电流密度。以Fe-N-C-900作为空气阴极组装的锌-空气电池显示了比商化Pt/C催化剂更好的电池性能。2.利用在惰性气体保护条件下四吡啶氧基铁钛菁@ZIF-8共组装体在1000℃的热解,设计制备了一种新型的Fe-N-C材料。用于合成四吡啶氧基铁钛菁@ZIF-8共组装体的反应时间对最终催化剂氧还原反应的活性增强起到了重要作用,经优化的Fe-N-C催化剂在碱性溶液中显示了显著的氧还原反应电催化活性,在1600 rpm下具有一个明显正的0.99 V vs.RHE的起始电位和一个大的8.0 m A cm-2的电流密度。组装的Fe-N-C-18 h基锌-空气电池优于Pt/C基电池的性能。3.为了实现催化剂的双功能氧电催化性能,在ZIF-8的合成过程中引入了双金属（铁和镍）-配位的四（4-吡啶氧基）酞菁,双金属（铁和镍）-配位的四（4-吡啶氧基）酞菁@ZIF-8随后的热解导致了一种新型的双功能Fe/Ni-N-C催化剂。由于铁和镍之间强的电子相互作用、高活性的Fe/Ni-Nx-C位点的形成对催化氧还原和氧析出反应展示了优异的双功能活性,具有一个正的0.98 V vs.RHE的氧还原反应起始电位、一个正的0.83V vs.RHE的半波电位和一个大的6.2 m A cm-2的极限电流密度以及在10 m A cm-2电流密度下一个低的250 m V的析氧反应过电位。以Fe/Ni-N-C作为空气电极组装的可充电锌-空气电池优于Pt/C+Ru O2催化剂。
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