论文部分内容阅读
锌-空气电池具有内阻小、对环境污染低等优点,成为近年来在新能源领域被广泛研究的焦点之一。在锌-空气电池内部组成中,空气阴极催化层（进行双功能催化作用OER/ORR）对电池性能起着至关重要的作用,因此,研究空气阴极电极催化剂成为了锌-空气电池的重点。然而,空气电极的动力学速度较为缓慢,催化阴极反应活性不高。阻碍了商业化大规模应用,这就制约了锌-空气电池的普遍发展。有鉴于此,开发性能高、稳定性好、价格低廉的高性能空气阴极催化剂成了重点研究的内容。三维多孔石墨烯（3D-hGO）,一种比表面积较大、孔隙率高以及导电率高的碳材料,杂原子掺杂（特别是氮原子与硫原子）使石墨烯表面暴露出反应活性位点,具有较高的氧还原ORR催化反应活性位点,杂原子掺杂多孔石墨烯不仅可以做催化剂的载体,其本身还会由于多孔效应导致比面积增大而显示优异的催化性能。本论文通过一步法水热反应,制备了氮原子（尿素提供）与氮、硫双原子（硫脲提供）分别掺杂石墨烯与α-二氧化锰的复合两种催化剂。本文通过一步水热法制备并研究了锰源与掺杂原子的摩尔比例分别为1:0、1:1、1:2、2:1的催化剂,并对其结构以及电化学性能进行测试对比,结果显示,锰源与掺杂氮与氮、硫双原子摩尔比例均为1:1的催化性能最优,其Tafel斜率为34 mV·dec-1,交流阻抗为3.27Ω,循环伏安测试1000次后,其催化活性仍能保持90%以上,比表面积达到268.37 m2·g-1,孔径为20nm左右的介孔。其次,引入硫原子掺杂,其性能进一步提高,其Tafel斜率为32 mV·dec-1,交流阻抗为3.25Ω,循环伏安测试1000次后,其催化活性仍能保持95%左右,比表面积达到282.66 m2·g-1,孔径为35nm左右的介孔。硫掺杂扩大了氧气进出通道,更有利于氧气的扩散。最后,对比发现杂原子掺杂多孔石墨烯负载α-MnO2催化剂的性能均优于未掺杂掺杂多孔石墨烯负载α-MnO2的性能,而且氮、硫双原子共掺杂的多孔石墨烯负载α-MnO2的性能优于氮原子单掺杂的多孔石墨烯负载α-MnO2的性能,这可能源于氮硫共掺杂比氮单掺杂提供更多的反应活性位点,并扩大了催化剂的孔径及比表面积所致。