摘要
随着传统化石燃料消耗量的不断增加，巨大的能源需求和环境的恶化促使人们探索新能源装置和系统。在各种能源技术中，锌空气电池以其成本低、环境友好和高理论能量密度等优点受到人们的青睐。然而，锌空气电池也面临着一些科技问题，特别是稳定性差和功率密度低，这主要是其阴极反应动力学缓慢造成的。因此，开发能同时催化放电过程中氧还原反应(ORR)，和充电过程中析氧反应(OER)的双功能氧电催化剂，是提升可充电锌空气电池性能的关键。Pt基催化剂是ORR高效的催化剂，Ir/Ru化合物是OER最可能的候选者。然而，贵金属成本高和稳定性差的问题限制了其大规模应用。此外，这些贵金属往往只具有单功能催化活性，需要混合在一起以实现双功能活性。因此，开发资源丰富的低成本且高性能的非贵金属双功能催化剂，以取代贵金属基催化剂并用于可充电锌空气电池很有意义。 金属有机框架(MOFs)的碳衍生物拥有丰富活性位点、高导电性和多孔纳米结构等优点，表现出潜在的ORR和OER的双功能催化活性。尽管如此，它们被用于锌空气电池时性能仍有待提高。这是因为纳米级颗粒的MOFs衍生物往往不足以有效地进行反应物的转移和电解质扩散，且在充放电过程中结构容易坍塌和团聚。本论文基于ZIF-67，合理设计具有连续结构的高效双功能氧电催化剂，制备了NCNTM和FNCF，克服传统纳米尺度MOFs衍生物不利于传质和容易坍塌团聚的缺点，以提高锌空气电池的性能。本论文主要的研究内容和成果如下： (1)在第三章中，我们制备了三维连续结构的氮掺杂碳纳米管矩阵(NCNTM)，作为双功能氧催化剂应用于可充电锌空气电池。得益于连续矩阵结构和丰富的金属-氮-碳活性位点的协同效应，NCNTM表现出优异的双功能氧催化活性，并具有优异的稳定性。特别是NCNTM组装的液态可充电锌空气电池，其开路电压高达1.50V，功率密度高达220mWcm-2，在5mAcm-2下循环稳定性达1600h以上。此外，用于柔性锌空气电池时展现了176mWcm-2的功率密度，并具有出色的倍率性能，且能够为56个LED灯和智能手机供电。此内容不仅提供了一种高效、耐用的双功能氧电催化剂，并为设计强劲的电极用于长寿命锌空气电池及其他能源技术提供了前瞻性的见解。 (2)在第四章中，我们基于ZIF-67并采用牺牲模板锌片的方法，制备了柔性氮掺杂碳杂化材料(FNCF)，作为宏观自支撑的双功能氧电催化材料并用于可充电锌空气电池。这种FNCF材料表现出优异的双功能氧电催化活性。且FNCF具有宏观自支撑结构，可以不使用粘结剂而直接用于空气电极，其组装的液态可充电锌空气电池开路电压达1.48V，功率密度达185mWcm-2，在10mAcm-2下循环1200h以上。用于柔性固态锌空气电池即使在弯曲条件下也表现出稳定的放电电压，且放电功率密度高达160mWcm-2。这为设计高性价比的独立式空气电极，并用于锌空气电池以及相关的能量转换和存储设备提供了有价值的途径。
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