【摘 要】
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随着环境污染和能源危机的迅速增加,开发一个可持续和生态友好的能源储存和转换装置是必不可少的。在已研究的能源器件中,燃料电池和锌-空气电池因其理论能量密度高、资源丰富、环境可持续性强等优点而备受关注,被认为是未来电力器件的理想选择。目前,贵金属Pt被公认为ORR的最佳催化剂。但由于其稀缺性和高成本等问题,阻碍了其在实际中的广泛应用。因此,开发高效、低成本的电催化剂仍是一个挑战。碳由于其高导电性、高表
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随着环境污染和能源危机的迅速增加,开发一个可持续和生态友好的能源储存和转换装置是必不可少的。在已研究的能源器件中,燃料电池和锌-空气电池因其理论能量密度高、资源丰富、环境可持续性强等优点而备受关注,被认为是未来电力器件的理想选择。目前,贵金属Pt被公认为ORR的最佳催化剂。但由于其稀缺性和高成本等问题,阻碍了其在实际中的广泛应用。因此,开发高效、低成本的电催化剂仍是一个挑战。碳由于其高导电性、高表面积和高化学电阻率,在许多电化学应用中引起了极大的兴趣。其中,利用可再生资源中的天然生物质原有的结构,制备高性能碳基电催化剂是目前备受青睐的一种方式,并在锌-空气电池实际应用中表现出良好的潜力。槐树叶因其廉价易得且自身含有丰富的氮元素而常被作为动物饲料,在本论文第二章中,我们选用槐树叶为原材料。首先,实验对槐树叶进行低温碳化(250℃),再利用高铁酸钾(K2Fe O4)活化碳材料,合成了具有较大比表面积的氮掺杂多孔碳复合材料(2714.91 m~2·g-1)。然后通过环境友好的非热解过程,将金属-N4大环分子酞菁铁(Fe Pc)负载在掺杂位点,制备了一种锚定Fe-N4的分级多孔碳材料(Fe Pc/NPC)。通过ORR测试表明催化剂在碱性条件下具有良好的电催化活性、稳定性和甲醇耐受性。相比于Pt/C催化剂,Fe Pc/NPC材料的半波电位(E1/2=0.91 V)正移了70 m V,同时,电流密度值(JL=5.03 m A·cm-2)也优于Pt/C。稳定性方面,在碱性电解质中循环5000次后Fe Pc/NPC电极仍然保持其最原始的活性(E1/2负移约9 m V),优于Pt/C(负移约14 m V)。Fe Pc/NPC被进一步用作空气阴极,构建锌-空气电池。其开路电压为1.45V,且具有较高的放电电压和比容量,通过50小时的长期循环试验进一步评估了其良好的稳定性。这种简单可行的合成策略通过利用生物质前体特有的组成、结构以及活化剂的协同作用来制备高效的ORR催化剂,为可用于ORR阴极电催化剂碳材料的合成和应用提供了新的视角。近年来,废弃生物质作为一种可再生资源因其成本低,废物利用,环境友好等优势,受到了越来越多科研人员的关注。在本论文第三章中,我们选用兰州当地的籽瓜种子壳做为废弃天然生物质碳前驱体,通过对黑瓜子壳进行碳化(500℃),再利用高铁酸钾(K2Fe O4)活化碳材料,合成了具有较大比表面积的多孔碳材料(2006.78 m~2·g-1)。然后通过环境友好的非热解过程,将金属-N4大环分子酞菁铁(Fe Pc)通过π-π相互作用固定在多孔碳上,制备了一种负载Fe-N4的多孔碳材料(Fe Pc/BSPC)。通过ORR测试表明催化剂在碱性条件下具有良好的电催化活性和甲醇耐受性。相比于Pt/C催化剂,Fe Pc/NPC材料的半波电位(E1/2=0.89 V)正移近50 m V,同时,电流密度值(JL=5.04 m A·cm-2)也远优于Pt/C。Fe Pc/BSPC被进一步用作空气阴极,构建锌-空气电池。其开路电压为1.42V,同时功率密度(67.4 m W·cm-2)和比容量(801.7 m Ah·g-2)也优于Pt/C,在50小时的长期循环测试中电池仍保持良好的稳定性。因此,考虑到可持续和低成本的制备技术以及Fe-N4在ORR催化活性方面的优异表现,这项工作可以为从废弃生物质碳材料中设计非贵金属ORR催化剂,用于锌-空气电池和其他储能应用开发一种新的策略。
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