【摘 要】
：
面对能源危机和环境问题,越来越多的人意识到新能源存储与转换技术对可持续发展的重要性。锌-空气电池是其中极具发展潜力的新能源技术之一,但其空气电极仍需要催化材料来加速电池充放电过程中涉及到的化学反应,以提高电池的整体效率。开发高效、低成本且稳定的非贵金属基催化材料是目前锌-空气电池发展的关键也是挑战。本论文基于材料结构-性能的构效关系,选择具有良好本征催化活性的镍钴基材料,在其基础上通过金属原子的部
【基金项目】
：
中国国家自然科学基金（11474137和11674143）； 中央高校基金；
论文部分内容阅读
面对能源危机和环境问题,越来越多的人意识到新能源存储与转换技术对可持续发展的重要性。锌-空气电池是其中极具发展潜力的新能源技术之一,但其空气电极仍需要催化材料来加速电池充放电过程中涉及到的化学反应,以提高电池的整体效率。开发高效、低成本且稳定的非贵金属基催化材料是目前锌-空气电池发展的关键也是挑战。本论文基于材料结构-性能的构效关系,选择具有良好本征催化活性的镍钴基材料,在其基础上通过金属原子的部分替代、掺杂、形貌调控、构筑界面等改进策略设计合成了一系列具有更高催化活性的催化材料,并探究了其用于锌-空气电池器件的性能表现。本论文主要研究内容如下:一、通过水热法及随后的低温硫化制备得到了单相双金属镍钴硫化物（Ni,Co）S2,用作析氧反应和氧还原反应的高效双功能电催化剂。镍和钴的协同效应改善了电子传输性能并降低了反应能垒,因而（Ni,Co）S2在碱性电解质中对析氧和氧还原均表现出良好的电催化活性。理论计算结果表明该双金属镍钴硫化物在催化过程中的决速步所需过电位远低于单金属硫化物,对应于更出色的催化活性,这与实验测试结果相一致。（Ni,Co）S2基锌-空气电池性能优异,而且可以驱动（Ni,Co）S2作为阴、阳极的电化学水分解系统,证明其在未来的能量转换和储能器件中具有广阔的应用前景。二、设计合成了氮掺杂NiS1.03空心球(N-NiS1.03HS),并将其用于析氧/氧还原双功能催化电极。通过氮掺杂的电子调控和空心球的结构设计,N-NiS1.03HS的催化活性得到很大提升。在析氧反应中,它达到10mA·cm-2的电流密度所需过电位为250mV,在氧还原反应中的半波电位为0.72V。密度泛函理论计算结果表明氮掺杂可以同时降低材料的d带中心,有助于电催化过程中氧中间体在活性位点上的快速脱附,从而加速反应动力学。当其被用于锌-空气电池的空气电极时,显示出较高的开路电位（1.41V）,大的比容量(在10mA·cm–2的电流密度下:821mAh·gZn–1),和优异的充放电循环稳定性(5mA·cm–2下工作60小时),在未来可充电锌-空气电池的应用中具有一定潜力。三、构建了自支撑NiO/Co3O4异质结,展示出高效的析氧催化活性。得益于丰富的异质界面和界面引起的氧空位浓度的提升,NiO/Co3O4中出现了大量的低配位原子,而这些低配位原子有效地调节了周围原子的电子结构,同时也充当了活性中心的作用。因此,相对于单相氧化物,NiO/Co3O4异质结对析氧和氧还原过程的催化活性都得到有效改善。密度泛函理论计算证实了材料中d电子结构受到有效调控。此外,NiO/Co3O4异质界面附近Co的d带中心向远离费米能级的方向偏移,减弱了催化过程中活性位点对氧中间体的强吸附作用,利于解吸附的快速进行,从而加快整体反应速率。在具体测试中,NiO/Co3O4基可充电锌-空气电池表现出较高的开路电位（1.42V）,较大的功率密度(最大为103.8mW·cm–2)及出色的充放电循环稳定性(3mA·cm–2下充放电循环510次)。本研究为合理构建异质结构界面提供了一条有效途径。四、采用双阳离子梯度刻蚀技术对钙钛矿LaCoO3的电子结构进行了精准调控。阳离子的脱溶使得钙钛矿结构坍塌并发生表面重建,最终得到了富阳离子空位的钙钛矿/尖晶石异质结构V-LCO/Co3O4。由于异质界面效应和丰富的阳离子空位,材料的表面电子结构得到有效调节,从而显著提高了催化活性。与纯相钙钛矿LaCoO3(3.94×1019cm-3)相比,V-LCO/Co3O4具有较低的电化学活化能和更高的载流子浓度(1.36×1021cm-3)。进一步,密度泛函理论计算表明,表面电子结构的定向重构使得V-LCO/Co3O4的d带中心处于中间位置,赋予其适中的氧吸附强度,从而提升了催化效率。V-LCO/Co3O4在锌-空气电池中表现出良好的双功能活性,是一种很有发展前景的催化剂。
其他文献
蒸散包括了从土壤到植被再到大气的水汽交换,涉及了土壤-植被-大气系统之间错综复杂的相互作用过程,其准确反演一直都是卫星遥感领域的重点与难点。本文以目前使用最为广泛的中分辨率成像光谱仪Terra/MODIS、我国新一代静止气象卫星的多通道扫描成像辐射计FY-4A/AGRI以及空间分辨率较高的陆地卫星增强型专题制图仪Landsat7/ETM+三种遥感数据为基础,以提高蒸散遥感反演精度、实现蒸散在地球科
有机气溶胶（organic aerosol,OA）是大气气溶胶的重要组成部分,其中的吸光性组分,即棕碳（brown carbon,Br C）,能够吸收紫外-近可见光波段的太阳辐射,从而影响区域空气质量、大气光化学过程和地-气系统辐射平衡。亚洲沙尘在长距离传输、沉降的过程中,可以作为大气中有机物和微生物等输送和反应的重要媒介。本论文基于2016年春季中国北方地区气溶胶野外观测试验采集的大气总悬浮颗粒
云是大气的重要组成部分,可以通过平衡辐射收支、调节水循环、影响大气环流等方式作用地气系统。云宏观物理性质是影响气候变化的不确定因素,其中,水平方向上的云量和垂直方向上的云垂直结构,是改进气候模式中的云参数化方案并提高其模拟能力的重要方面。对云量而言,云重叠特征如重叠云量等是辐射传输的计算关键;对云垂直结构而言,云层特征如云顶高度等是影响地表辐射效应的关键。目前,云的观测可以通过地面和卫星的主动或被
随着大数据时代的来临,数据存储领域迎来了快速发展的时期。磁性随机存储器（MRAM）因为具有存储密度高、读写速度快、功耗低以及数据非易失性等优点,所以引起了研究人员的广泛关注。在MRAM当中,应用前景最好的是以自旋轨道力矩（SOT）作为驱动力的MRAM,即SOT-MRAM。对于这类MRAM而言,其信息的写入是在垂直磁化的重金属/铁磁金属异质结中进行的。由于重金属具有很强的自旋轨道耦合,电流会经由自旋
积极安全有序发展核能利用是我国实现“双碳”目标、保障经济社会可持续高质量发展的战略选择。材料是制约核能发展的主要因素之一,研发第四代核裂变反应堆和未来聚变堆等先进核能系统迫切需要强度高、耐高温、抗辐照、耐腐蚀材料的支撑。陶瓷具有优良的物理化学性能,是未来先进核能系统的重要候选材料。但单相陶瓷韧性差、辐照数据欠缺,因此研发高韧性抗辐照陶瓷并评价分析其抗辐照性能,对新型核用陶瓷材料的研发具有重要的意义
摩擦纳米发电机是一种可以将环境中的机械能转换成电能的换能装置。在接触摩擦过程中摩擦层之间会有电场出现,摩擦纳米发电机是利用电场中金属电极的静电感应实现机械能向电能的转换。因此本论文主要从摩擦纳米发电机中电场的角度出发,探究对电场的利用方式的不同,实现摩擦纳米发电机本身输出性能的提升,以及在自供能系统中的应用。具体内容如下:首先,利用摩擦纳米发电机外部约束电极来实现摩擦纳米发电机内部电场向其外部的转
在地球、火星以及其他具有大气层的行星中,由风蚀导致的沙床面是一种常见地表,而风成沙波纹则是此地表上最容易出现的一种床面形态。由于具有分布广泛、易于形成、发展迅速等特性,从风沙流研究伊始,沙波纹便作为大气、地质以及行星风场和颗粒输运研究中的典型标志物而被重点关注。床面颗粒粒径、来流风速、风沙流中的近地表流场结构,均会对沙波纹的形态特征产生影响。这些影响因素与当地的地质以及风场条件直接相关,是沙波纹研
随着发光二极管（LED）技术的快速发展,尤其是在照明领域广泛地应用,以人为本的照明理念越来越深入人心,人们对白光LED光源的性能也提出了更高的需求。特别是在室内照明方面,人们对光源性能的要求已经从最初的“高亮度”向兼顾显色指数、色温等性能的“高品质”转变。传统的蓝光LED芯片复合黄色发光材料这一策略已经难以满足高品质照明的要求,近紫外LED芯片复合多色发光材料的策略已逐渐成为白光LED的首选技术。
拥有准同型相界（MPB）的铁电陶瓷表现出突出的压电、介电、铁电等性能,应用在精密仪器、电子信息、医疗器械以及在能量探测等领域,特别是表现出众的铅基材料,几乎占据着传感器、换能器、制动器等电子材料的市场。钛酸钡基（BT-）铁电陶瓷作为有毒铅基陶瓷的替代材料之一,人们对其MPB诱导高性能的认识尚不全面,并且BT-基中MPB相对温度变化是灵敏的,导致材料的热稳定性差。本论文基于BT-基铁电材料,主要研究
“十三五”期间我国环境空气质量得到明显改善,但因沙尘引起的重污染时有发生,尤其我国西北地区。为有效改善甘肃省空气质量,妥善应对重污染,首先,客观、准确的识别了2015～2020年我国沙尘发生的时段,并研究沙尘时空分布特征和沙尘易发生区域及强沙尘发生区域。其次,选取发生在中国西北地区的强沙尘暴过程,利用甘肃省境内气溶胶激光雷达组网探测结果,结合地面观测数据及NCEP/NCAR再分析资料,对沙尘的发生