论文部分内容阅读
能源是人类社会发展的基础和动力。目前,73%的能源都来自石油、煤和天然气等化石能源。但化石能源储量有限,并且不可再生。发展可再生能源利用技术己是刻不容缓。太阳能、风能和潮汐能等再生能源都具有资源丰富的特点。虽然近年来,风能、太阳能、潮汐能等可再生能源的装机总量在不断增加,但由于发电的不稳定、不连续等原因,导致弃风和弃光等问题。从长远的角度来看,大规模储能技术可能是可再生能源发电不稳定、不连续的最有效经济方案,也是提高可再生能源发电利用率的重要手段。锌-空气液流电池由于具有能量密度高,安全性好,价格低等优势,成为大规模高效储能装置的首选之一。而在锌空气液流电池中,正极氧还原/析出催化剂扮演着举足轻重的角色,但正极氧还原和氧析出反应动力学缓慢,所以开发稳定、高效的催化剂是研究的重点和难点。本课题通过制备高效、廉价、稳定的氧还原/析出双效催化剂,降低电池成本,提高电池性能,为构建高效的锌-空液流电池提供可行的方案。本文的主要内容如下:1)以普通碳纤维纸(CFP)为载体,经过强酸处理,产生缺陷。再通过水热和高温热解法,在硫掺杂的碳纤维纸(SCFP)上制备由非晶态NiSx-FeOy掺杂的具有双效功能的自支撑氧电极。所制备NiSx-FeOy/SCFP催化剂拥有优异的双效性能,OER只需要0.37 V的过电势即可达到10 mA cn-2的电流密度,并且ORR具有与商业20wt%Pt/C相当的半波电位。把NiSx-FeOy/SCFP直接作为锌-空气液流电池的正极并组装锌-空气液流电池,表现出高的充放电性能,并且剧烈地运行110 h而没有性能衰减。2)以东丽碳纤维纸为载体,使用电聚合法把2-氨基-5-巯基-1,3,4-噻二唑(AMT)聚合到碳纤维上。再经过高温热解,使之碳化、活化,得到PAMT/CFP。所获得的PAMT/CFP可以直接作为锌-空气液流电池的正极,OER仅需要1.68V的电压就能达到10mAcm-2的电流密度,ORR也是最好的,ORR半波电位大约在0.68 V左右,为双效催化剂的研究提供了一种新的思路。3)以富含氮、硫等元素的有机单体,采用Sonogashira-Hagihara耦合反应合成结构与组成可调控的共轭微孔聚合物(CMP)。以共轭微孔聚合物作为前驱体,定向引入高密度、高分散的过度金属原子,制备氮、硫和过渡金属多掺杂的碳基催化材料,同时构建丰富的氧还原和氧析出活性位点,测试ORR起始点位只有0.88 V,半波电位0.78 V,1 0 mA cm-2电流密度对应的电压是1.68 V。研究N、S和Fe、Ni等过度金属之间的相互作用,设计出性能优异的双效催化剂。4)本研究以碳纤维纸作为载体,采用水热和高温热解法,在硫掺杂的碳纤维纸(SCFP)上制备Fe、Ni共掺杂的具有双效功能自支撑氧电极,并组装高效稳定锌-空气液流电池。然后我们再以东丽碳纤维纸为载体,采用电聚合法和高温热解法,在碳纤维表面聚合AMT,制备非金属双效氧电极。最后,我们以富含氮、硫等元素的有机单体,采用Sonogashira-Hagihara耦合反应合成共轭微孔聚合物。再向共轭微孔聚合物中定向引入过渡金属原子,制备氮、硫和过渡金属多掺杂的碳基催化材料。