摘要
因为人类过度使用化石资源所带来能源危机和污染问题，所以环境友好型能源受到人们的广泛关注。燃料电池和金属-空气电池作为环境友好型能源转换装置的代表是目前人类研究的重点。在燃料电池与金属空气电池中，位于空气阴极的氧还原反应（ORR）动力学过程比较缓慢。因此，开发成本低廉、ORR活性优异的过渡金属基电催化剂受到广泛关注。单原子电催化剂具有独特的活性、耐久性和选择性，但是单原子电催化剂活性位点类型单一，不能同时优化催化反应中间体。因此，本论文以碳基双原子电催化剂为主要研究对象，通过构建多孔结构以及非贵金属双原子活性位点，优化催化反应中间体的自由能，提高电催化剂的活性以及稳定性。 主要研究内容如下： （1）以多孔碳球为模板，FeCl3和NiCl2为金属源，利用多孔碳球模板中的空位缺陷锚定Fe3+和Ni2+离子。通过高温热解方式获得了丰富的边缘锚定和原子分散的双原子电催化剂（Fe/Ni-N-PCS）。在碱性电解质中，Fe/Ni-N-PCS的起始电位为1.01V，半波电位达0.9V。以Fe/Ni-N-PCS为空气阴极组装的锌-空气电池具有优异的开路电压（1.44V）、功率密度和充-放电循环稳定性。研究表明丰富的孔边缘锚定的双原子活性位点是ORR性能提高的主要原因。 （2）利用多孔碳球为模板，利用多孔碳载体的空间限域策略，将ZIF限域在多孔碳球中，制备了杂原子N配位的Fe、Co双原子电催化剂（Fe/Co-DSAs-PCNSs）。Fe/Co-DSAs-PCNSs的比表面积高达1123m2g?1，多孔结构不仅有利于金属原子的锚定还有利于活性位点的暴露和物质的传递。FeCo-DSAs-PCNSs在碱性电解质中的起始电位为1.02V；半波电位为0.91V，在酸性电解质中，起始电位为0.88V。Fe/Co-DSAS-PCNSs优异的ORR性能源于多孔结构和双原子活性位点的协同作用。此外，以FeCo-DSAs-PCNSs为空气阴极构建的锌-空气电池具有较大的开路电压（1.46V），峰值功率密度（216mWcm?2）以及大电流下的充放电循环稳定性。
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