摘要
由于日益增长的环境相关问题和全球能源需求的爆炸性增长，开发可持续能源材料和绿色纳米技术以建造燃料电池、金属空气电池和电解水系统已引起全球关注。特别是，锌空气电池（ZAB）已被证明是一种很有前途的技术，能够满足未来能源转换设备的需求，因为其广泛公认的优点是满足需求的理论能量密度、低成本、环境友好性和可靠的安全性。放电过程中的氧还原反应（ORR）和充电过程中的析氧反应（OER）是整个可再充电ZAB设备中的关键反应。然而，ORR和OER的缓慢动力学导致了不利的极化损失，因此加快这些反应的有效催化剂一直是一个中心问题。虽然贵金属材料，如Pt基催化剂和RuO2，长期以来一直被分别视为催化ORR和OER的基准，它们具有单一催化活性、高成本和循环稳定性差的缺点。在此背景下，设计一种高效耐用的ZAB双功能ORR/OER催化剂具有实用价值。 沸石咪唑类骨架（ZIF）是金属有机框架的组成之一，它具有优异的稳定性以及化学功能性。ZIF衍生的过渡金属碳材料由于其高的比表面积和高效稳定性而备受青睐。以此为基础，本文以ZIF基材料为前驱体，通过适当的化学方法刻蚀，引进磷元素以及掺杂金属技术来构造多系列高性能催化剂，并对氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）性能进行研究以及在锌空气电池的应用研究。具体研究内容如下: 1.通过合成ZIF前驱体进行多掺杂工程策略，成功制备了一种氮/磷共掺杂碳基十二面体与铁掺杂Co2P组分约束的高性能催化剂。其中植酸分子不仅有助于多孔结构的形成，还作为磷源在碳基体中形成相应的金属磷化物和P掺杂特征。由于其独特的组成和结构依赖的优点，电催化剂的微环境被显著调节，从而促进了与氧有关的电催化反应中有利的局部电荷重排和平稳的质量/电荷转移过程。结果表明，所制备的催化剂具有显著增强的可逆氧活性，其ORR/OER电位差为0.655V（氧还原反应的半波电位为0.895V;析氧反应的η为320mV）,所组装成的锌空气电池有着高的比容量（762mAh/gZn)，而且有着优异的耐久性，超过了大多数以往的报道。 2.通过以新型手风琴式ZIF为前驱体，以铁氰化钾进行刻蚀，最终得到的FeAC-SA-NiSA@NC催化剂。具有双金属活性位点的催化剂由于相邻两个金属原子间的协同作用，通常表现出进一步增强的催化活性。结果表明，FeAC-SA-NiSA@NC催化剂对氧还原反应和析氧反应具有良好的催化活性，其优异的ORR活性表现为在碱性介质中的半波电位为0.93V,并且在碱性介质中长期稳定性良好。此外，该催化剂还表现出良好的OER性能。同时，该催化剂在所组装成的锌空气电池中表现出优异的性能，其中峰值密度为293mW/cm2,能量密度为377mA/cm2,具有良好的比容量和优异的循环稳定性。本工作为进一步的开发和利用高性能催化剂探索了新的道路。
NETL