【摘 要】
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金属空气电池是新能源电池研究的热点。它的功能主要取决于两种基本的电催化反应,即氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）。金属有机框架（MOFs）及其衍生物是很有前途的氧化还原反应催化剂。基于此,本文将MOF与不同纳米结构的碳材料（石墨烯、碳纤维）紧密复合,设计了一系列的金属有机框架/碳复合材料,并对其电化学特性进行了检测。主要研究内容果如下:（1）以二氧化硅纳米球作为模板制备了ZIF-67球壳,
【基金项目】
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国家自然基金项目（52173115,52073278）； 吉林省科技厅科技发展计划项目（20200201103JC）； 吉林省教育厅科学技术研究项目（JJKH20210828KJ）；
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金属空气电池是新能源电池研究的热点。它的功能主要取决于两种基本的电催化反应,即氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）。金属有机框架（MOFs）及其衍生物是很有前途的氧化还原反应催化剂。基于此,本文将MOF与不同纳米结构的碳材料（石墨烯、碳纤维）紧密复合,设计了一系列的金属有机框架/碳复合材料,并对其电化学特性进行了检测。主要研究内容果如下:（1）以二氧化硅纳米球作为模板制备了ZIF-67球壳,通过冻干与石墨烯复合,再经过高温煅烧制备了ZIF衍生出的大孔碳复合材料。由于ZIF衍生物的多孔结构和碳材料良好的导电性,材料同时具有ORR和OER双功能催化特性。材料的ORR半波电位为0.835 V;当电流密度为10 m A cm-2时,展现出370 m V的OER过电位。组装的锌-空气电池（ZABs）,拥有65.83 m W cm-2的功率密度。（2）采用静电纺丝的方法也可以使活性物质分散的更均匀,静电纺丝方法制备材料简单,产率高。基于此,利用静电纺丝技术结合退火工艺,以Co-PBA为钴源、聚丙烯腈（PAN）为碳源、ZIF-8为造孔模板,制备出了具有优异催化性能的复合材料。得益于静电纺丝材料的超长纤维结构和丰富的孔隙率,材料具有良好ORR性能,半波电位为0.824 V,Tafel斜率为87.9 m Vdec-1,加速循环1000圈后半波电位仅负移了20 m V。作为ZABs的阴极催化剂时,组装的ZAB的循环稳定性达到了300000 s。（3）在第二章纺丝的基础上,将ZIF-8纳米颗粒嵌入电纺聚丙烯腈（PAN）中,制备成氮原子掺杂碳中空纳米粒子形成的多孔纳米纤维,随后利用此纳米纤维吸附四氨基铁钛菁进行二次烧结成电催化材料。由于该材料独特的纤维结构和Fe-NX/C优异的催化剂活性位点,材料具有优异的ORR性能,在强碱性条件下的半波电位为0.86 V,Tafel斜率为60.2 m Vdec-1。在强酸性条件下半波电位为0.67 V,Tafel斜率为153.5 m Vdec-1。组装的ZAB,拥有100.83 m W cm-2的功率密度。综上,通过过渡金属盐和有机配体配位成MOF,再和碳材料进行复合获得的电催化材料,具有工艺过程简单、成本低的优势,在组装成ZAB的实际使用中,都具备良好的电化学性能。
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