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随着化石能源的不断枯竭以及生态环境的不断恶化,人类迫切需要寻找绿色环保的清洁能源,以满足国民经济发展的需求和改善生态环境的愿望。水能、风能和太阳能等可持续发展的新能源受限于其间歇性供应和区域差异性等问题,因此,其纳入能源网可能会造成负荷安全的风险,目前还无法实现大规模的应用。电化学储能和转换系统如燃料电池、金属-空气电池等有望解决这一挑战性的技术瓶颈。燃料电池、金属-空气电池等的核心是包括氧析出反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)和氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)等一系列的电化学过程。上述反应往往受到动力学限制,需要催化剂来提升能源转换效率,而目前选用的催化剂大都为成本高和储量少的贵金属及其氧化物。这将会阻碍相应电化学器件的推广应用。因此,亟需开发出高活性、高稳定性和低成本的电催化剂以提高效率和降低成本,其中钙钛矿型氧化物电催化剂以其廉价易得和结构可控等特点而引起了研究者的兴趣。本文以非金属元素掺杂和静电纺丝法设计和优化钙钛矿型氧化物,实现其在OER/ORR中的高效应用。具体研究内容如下:(1)以钙钛矿型氧化物SrCo0.8Fe0.2O3-δ(SCF)为母体,设计将非金属元素P选择性地分别掺入Co位、Fe位和Co/Fe位,利用溶胶-凝胶法制备了 P掺杂的SrCo0.8Fe0.15P0.05O3-δ(SCFP)、SrCo0.75Fe0.2P0.05O3-δ(SCPF)和 Sr(Co0.8Fe0.2)0.95P0.05O3-δ(S(CF)P)作为高效的OER催化剂。通过基本表征表明:相较于母体钙钛矿型氧化物SCF,P掺杂改变了催化剂的电导率、氧空位含量、比表面积、B位离子价态和电化学活性表面积。通过电化学测试表明,P掺杂能提升电催化OER活性和稳定性。通过电催化机理研究发现,P掺杂提高了 OH-的吸收能力、降低了 B位金属的平均价态、增加了电化学活性表面积和电导率等,这些因素与OER活性和稳定性的提高密切相关。上述结果表明,非金属元素掺杂以提升钙钛矿型氧化物的电催化活性是切实可行的。(2)以钙钛矿型氧化物LaBa0.85Ca0.15Mn2O5+δ(LBCM)为母体,分别以溶胶-凝胶法和静电纺丝法制备了块状的LBCM-SG和一维棒状结构的LBCM-ES。通过研究发现:LBCM-ES的比表面积对比LBCM-SG提升6倍,其较大的比表面积增大了催化剂与电解液的接触面积,提供了更多的电催化活性位点,故具有更好的电催化ORR活性。电化学测试表明,LBCM-ES相比LBCM-SG具有更好的电催化ORR活性,其起始电位在0.879 V vs.RHE,极限电流密度为6.17 mA cmdisk-2。稳定性测试表明,经过1000圈循环伏安法测试后,LBCM-SG和LBCM-ES的起始电位分别向更负方向偏移了 51和26 mV。由LBCM-SG和LBCM-ES分别组装的锌-空气电池,在相同电流密度下,LBCM-ES的放电电压比LBCM-SG更大,且经过500圈循环充放电后,LBCM-ES充放电电压间隙为1.393 V,表明以LBCM-ES组装的锌-空气电池具有较好的电化学性能。