摘要
在发展高效清洁的能源以满足人类社会可持续增长的能源需求方面，电化学转换和储能设备发挥着至关重要的作用。其中，析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)是电化学转换和储能设备中的决定性过程。目前，贵金属催化剂是公认的高效的氧电极反应电催化剂，但贵金属的稀缺和容易中毒等缺点限制了其在燃料电池、电解水和金属空气电池等装置的应用。钴基氧化物因其在碱性条件下具有长期稳定性、高活性和低成本等特点，一直是人们关注的热点之一。但是，由于钴基氧化物导电性不佳而影响其广泛应用。为了克服这一缺点，可以将钴基氧化物与碳材料复合，这能够增加钴基氧化物的导电性，从而提高其催化活性。本文设计合成了三种电催化剂，分别是负载在石墨烯上的N掺杂碳点(CDs)修饰的针状NiCo2O4(NiCo2O4-G-NCDs)复合物，类石墨烯状碳层担载的Co3O4/C-750催化剂和具有簇状结构的Co3O4/C-350催化剂，对其进行了一系列的表征，并进一步研究其电催化性能。具体研究内容如下: 1.以设计出高效廉价的双性质电催化剂为目标，通过简单的一步溶剂热法制备出了一种担载在石墨烯上的N掺杂碳点(CDs)修饰的针状NiCo2O4(NiCo2O4-G-NCDs)复合物。利用SEM和TEM研究了其形貌;用XRD、HRTEM和XPS确定了催化剂的成分;用红外光谱仪、高压物理吸附仪、紫外可见分光光度计对催化剂进行了其它表征。电化学测试结果显示，该催化剂同时具备高效的ORR和OER的性质。NiCo2O4-G-NCDs的ORR半波电势为0.82V。相对于NiCo2O4-G和NiCo2O4-G-CDs，NiCo2O4-G-NCDs电催化性能有较大提升，Tafel斜率更小(63.94mV dec-1)，OER过电位更低(308mV)。 2.以酞菁钴为原料，通过简单的热解法合成了具有类石墨烯状碳层担载的Co3O4/C催化剂，并通过电化学测试证明了该催化剂是一种较好的ORR电催化剂。在制备过程中，通过调节不同的热解温度来优化催化剂的性能.其中，在750℃下制备的Co3O4/C催化剂在0.1M KOH中呈现出最佳的ORR电催化性能。Co3O4/C-750的ORR半波电位为0.75V，同时，它具有比20％Pt/C更好的抗甲醇毒化能力和较好的稳定性。此外，还将Co3O4/C-750催化剂应用于锌一空电池，其表现出良好的性能。 3.利用简单的两步法合成了具有簇状结构的Co3O4/C-350，并证明了该催化剂是一种可用于析氧反应的较好的电催化剂。在制备过程中，调整了不同的碳化温度，在350℃下制备的Co3O4/C-350催化剂在1MKOH中表现出最佳的OER电催化性能，稍低于RuO2。其中，Co3O4/C-350的过电位为410mV(@10mA cm-2)，优于其它温度下合成的催化剂。与此同时，Co3O4/C-350的Tafel斜率是几个不同温度下合成的催化剂中最低的，只有151.8mV dec-1，较高于RuO2（91.4mV dec-1），表现出了良好的催化动力学性能。
NETL