摘要
随着全球能源危机和环境问题的加剧，人们对新能源的需求不断增加。为促进新能源技术的发展，亟待开发清洁可持续能源转换与存储装置。可充电锌空电池因环境友好、原材料资源丰富、固有的安全性和高理论能量密度而受到研究者的高度重视。然而，空气电极上起关键作用的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）动力学迟缓，这极大地制约了锌空电池的实际应用。目前，Pt/C和RuO2/IrO2分别是加速ORR和OER最高效的电催化剂。但是贵金属催化剂受成本高、资源稀缺、稳定性差等不利因素的限制，并不适合大规模商业化。因此，合理设计与制备原料来源广泛、低成本、高活性和稳定的催化剂是当前研究的重点之一。 本文在一步热解法的基础上，通过使用不同的原材料和前处理方法，制备了一系列过渡金属/碳基纳米复合材料。通过各种表征方法，对所制备材料的形貌、结构和组分进行表征，分析了材料的形成机理。研究了材料在碱性条件下的ORR和（或）OER电催化性能及锌空电池性能。主要内容如下： （1）负载FeCo/FeCoP纳米粒子的N、Mn共掺杂多孔碳纳米片的制备及其锌空电池性能研究 以硝酸铁、醋酸钴、醋酸锰、双氰胺和聚肌苷酸为原料，在800℃下一步热解，合成了负载FeCo/FeCoP纳米粒子的N、Mn共掺杂多孔碳纳米片结构（FeCo/FeCoP@NMn-CNS-800）。该催化剂具有显著的ORR（半波电位E1/2=0.84V）和OER（10mAcm–2下的过电位η10=325mV）双功能催化活性和稳定性。此外，由FeCo/FeCoP@NMn-CNS-800构建的锌空电池的开路电压达到1.522V、峰值功率密度达到135.0mWcm?2，并且表现出长达200h的充放电循环稳定性。该研究为电化学能源设备合理构建高效、低成本、耐用的过渡金属双功能氧电催化剂提供了一种有前景的策略。 （2）包裹FeCo纳米晶体的氮掺杂碳纳米立方体的制备及其锌空电池性能研究 首先以柠檬酸三钠、硝酸钴、铁氰化钾为原料，通过共沉淀法合成了FeCo基普鲁士蓝类似物（PBA）纳米立方体。再通过对氨基苯酚与甲醛之间的缩聚反应，将FeCo基PBA纳米立方体包覆在酚醛树脂（PR）薄壳中，然后在700℃下一步热解，制备出包裹FeCo纳米晶体的N掺杂石墨碳纳米立方体（FeCo@N-GCNCs-700）。该催化剂具有良好的ORR（E1/2=0.80V）和优异的OER（η10=273mV）电催化性能。基于FeCo@N-GCNCs-700构建的锌空电池的峰值功率密度达到132.5mWcm–2，且充放电循环稳定性良好（100h内无明显衰减）。该研究为研制应用于电化学能源设施的高效过渡金属双功能氧电催化剂提供了新思路。 （3）封装FeCo合金的蜂窝状氮掺杂碳纳米管复合材料的制备及其氧还原性能研究 以L-组氨酸为C源和N源以及硝酸铁和硝酸钴的螯合剂，并在前驱体的合成过程中调控水分，通过一步热解法，制备了封装FeCo合金的碳纳米管/蜂窝状氮掺杂碳纳米复合材料（FeCo-CNTs/NHC-800）。该催化剂具有较优异的ORR性能，其起始电位（Eonset）和E1/2分别为1.09V和0.88V，并具有良好的长期稳定性（2000次循环后E1/2仅负移了11mV）和抗甲醇毒性。该研究为新能源设备开发低成本、高效且稳定的碳基ORR催化剂提供了一种生物分子调控合成新策略。
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