【摘 要】
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锌空气电池是绿色可持续发展的新能源技术,其空气正极发生的氧还原和氧析出反应分别对应电池的放电和充电过程,而氧还原和氧析出反应涉及复杂的四电子反应过程,其缓慢的反应动力学增大了电池的电化学极化,降低了锌空气电池的性能。因此,探索高效益,高活性的氧气电催化剂是实现高性能锌空气电池的关键。储量丰厚,成本低廉,协同效应强,催化活性高的镍铁基催化剂可以有效地催化空气正极的氧还原和氧析出反应。然而镍铁基材料的
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锌空气电池是绿色可持续发展的新能源技术,其空气正极发生的氧还原和氧析出反应分别对应电池的放电和充电过程,而氧还原和氧析出反应涉及复杂的四电子反应过程,其缓慢的反应动力学增大了电池的电化学极化,降低了锌空气电池的性能。因此,探索高效益,高活性的氧气电催化剂是实现高性能锌空气电池的关键。储量丰厚,成本低廉,协同效应强,催化活性高的镍铁基催化剂可以有效地催化空气正极的氧还原和氧析出反应。然而镍铁基材料的导电性差和本征活性低等问题限制了空气正极的工业化发展应用。针对以上问题,本文利用不同的合成方法调控镍铁基材料的层结构和界面结构,探究电子结构,活性位点及其反应中间体吸脱附能的变化对镍铁基材料催化性能及其锌空气电池性能的优化作用。研究内容主要包含以下四个方面:1、基于过渡金属化合物的导电性差和石墨活性低缺点,本章内容采用熔融盐法合成少层的Fe Cl3和Ni Cl2共插层石墨化合物（Fe Cl3-Ni Cl2-GIC）作为可充放电锌空气电池的双功能催化剂。实验结果表明Fe Cl3和Ni Cl2在石墨层间的存在可以提高电化学活性表面积,促进电荷传输和加强材料与中间产物的相互作用,提升Fe Cl3-Ni Cl2-GIC的OER和ORR催化性能及其锌空气电池应用性能。理论计算结果进一步证明Fe Cl3-Ni Cl2-GIC催化剂表现的优异性能主要来源于插层的双金属氯化物优化了石墨的电荷分布,促进了电子的转移和降低了中间产物的吸脱附活化能。Fe Cl3-Ni Cl2-GIC催化剂为研究和开发多种石墨插层化合物双功能催化剂应用于锌空气电池提供了参考价值。2、基于过渡金属硫磷化物的半导体性质和惰性基板劣势,本章内容采用固相反应法转化Fe Cl3-Ni Cl2-GIC制成三明治结构Fe Ni PS3/GL催化剂作为高效的OER催化剂并应用于锌空气电池。实验结果表明Fe Ni PS3/GL催化剂优异的OER催化性能主要来源于石墨夹层增大的电化学活性面积和Ni掺杂的Fe PS3所暴露的边缘活性点对于Fe Ni PS3/GL本征活性的提升,及其Fe Ni PS3/GL之间的耦合效应加快的电子传输也增强了Fe Ni PS3/GL催化剂的催化活性。Fe Ni PS3/GL组装的锌空气电池表现稳定的循环性能和优异的能量效率,证明了Fe Ni PS3/GL的应用发展空间。3、基于不同层间组分对层状结构硫磷化物结构及性能的影响,本章内容探究了四乙基氢氧化铵插入层结构Ni PS3（Ni PS3-TEA）的合成条件及电催化性能。实验探究表明100℃水热合成的四乙基氢氧化铵插层的Ni PS3（Ni PS3-TEA-100）纳米颗粒表现出优异的OER催化性能和稳定性能。四乙基氢氧化铵有机分子在Ni PS3层间的作用增大了Ni PS3的层结构和优化了表面元素的电子得失,提高了Ni PS3材料的电化学活性面积和电荷传递速率,暴露出更多的催化活性位点,从而提升了Ni PS3的OER催化活性。Ni PS3-TEA-100组装成锌空气电池展现的优良电池循环性能和能量效率进一步证明其实际应用的潜力。4、基于普鲁士蓝的导电性差,结构不稳定和表面重构过程活性组分的流失缺点,本章内容利用水热法合成不同Fe OOH复合Ni Fe PBA催化剂以优化Ni Fe PBA的催化性能,电化学测试表明优化之后的Ni Fe PBA-Fe OOH催化剂展现出优异的OER催化活性和稳定性。原位拉曼,非原位XRD和XPS表征揭露Ni Fe PBA-Fe OOH原位活化生成的高价态氢氧氧铁和氢氧氧镍之间的协同作用提高了催化剂的活性和稳定性。Ni Fe PBA-Fe OOH催化剂组装的锌空气电池表现出优良的循环稳定性。Co Fe PBA-Fe OOH的拓展性研究证明了合成方法的普适性,说明其他金属中心的PBA-Fe OOH催化剂在OER和锌空气电池应用的发展空间。
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