摘要
日益严重的能源和环境问题促使能源转型成为一个必然过程。锌-空气电池（ZABs）作为新型的能源储存和转换装置引起人们广泛的关注。设计高效实用的双功能氧催化剂以加速电极催化反应动力学对于构建高能量密度和低成本的可充电ZABs具有重要意义。目前，催化剂性能的提高是基于催化剂的筛选和改性来实现，然而其性能仍无法满足实际应用需求。为此，本论文报道了一种通过光热效应显著提高催化剂双功能电催化性能的新策略。本文具体的主要研究内容如下： 1.利用原子转移自由基聚合（ATRP）合成一系列的配体聚丙烯酸-聚乙烯（PAA-b-PS），以乙酸锰（Mn(Ac)2）、三乙酰丙酮铁（Fe(acac)3）作为金属前驱体通过溶剂热法合成系列铁酸锰（MnFe2O4）纳米粒子，将MnFe2O4纳米粒子与碳材料复合作为活性位点和光热元件。实验结果表明，在近红外灯照射下（NIR），在0.1MKOH的碱性电解液中，MnFe2O4的起始电位（Eonset=0.887VvsRHE）、半波电位（E1/2=0.80VvsRHE）以及抗甲醇性能和稳定性均证明该材料拥有良好的氧还原（ORR）催化性能。同时，材料展现出良好的氧析出（OER）催化性能，其在10mA/cm2的电流密度下，在NIR下电势降低到1.61V（vsRHE），且表现出良好的稳定性。基于ORR/OER的优良性能构建了高性能的液相及柔性ZABs。在NIR灯照射下，液相ZABs的功率密度达到了180mW/cm2，容量密度达到865.94mWh/g，并且在充放电500圈（充电10min，放电10min）后，基本保持不变，表现出良好的稳定性。以MnFe2O4为空气阴极将其组装成柔性ZABs，其功率密度达到了67mW/cm2。 2.为了进一步提高反尖晶石型纳米材料的OER/ORR催化性能，在上述的基础上引入了镍前驱体，通过构建三金属相互协作进而提高其催化性能。探究镍前驱体的负载量以及杂原子掺杂对其的影响。实验结果表明，在NIR光照射下，负载三元尖晶石复合纳米材料的电极瞬间局部升温，同时双功能催化性能显著提高（△E=0.61V）。同时，以三元尖晶石复合纳米材料（Ni0.5Mn0.5Fe2O4/N-KB）为空气阴极的液相ZABs具有优异的最大功率密度（299mW/cm2）、循环寿命（5000圈）和稳定性（不同电流密度下的循环）。以Ni0.5Mn0.5Fe2O4/N-KB为空气阴极的柔性ZABs具有良好的温度适应性（低温运行）和柔韧性（不同程度的弯曲可以正常工作），在实现可穿戴方面具有广阔的应用前景。
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