摘要
为了应对日益严重的环境问题和逐渐多样的能源需求，人们致力于开发新型能源存储与转换设备。其中，锌-空气电池因具有高理论能量密度、经济、安全等优点而备受关注。但是，空气阴极涉及的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）缓慢动力学性质限制了电池的性能，需要高效的电催化剂以提升ORR和OER反应速率。目前，商业化的贵金属基催化剂（Pt/C、RuO2和IrO2）具有高效的ORR或OER催化活性，但是高成本、稀缺性、低稳定性以及功能单一等缺点阻碍了其在锌-空气电池中的大规模应用。因此，设计与合成高效、廉价、稳定的非贵金属双功能电催化剂十分重要。本文中，我们以聚苯乙烯（PS）微球为模板，通过合理的结构设计制备了具有三维（3D）或3D有序大孔结构的过渡金属化合物/杂原子掺杂碳基复合材料作为双功能电催化剂。研究材料形貌结构与组分对电化学性能的影响，并将其应用于锌-空气电池中测试电池的充放电性能。具体研究内容如下： （1）NiFe层状双氢氧化物（LDH）因其卓越的OER催化活性而备受研究者的青睐，然而，其固有的低导电率、自团聚性以及较差的ORR催化性能，严重阻碍了它们在可充电锌-空气电池中的应用。因此，我们以包裹PS微球的聚多巴胺为前驱体，通过碳化-共沉积的方式制备了锚定NiFeLDH纳米片的Co、N共掺杂中空碳球复合材料（Co-NC@NiFeLDH）。Co、N共掺杂中空碳球基底不仅为ORR提供了丰富的Co-Nx活性位点，而且抑制NiFeLDH纳米片的团聚并提高其导电性，改善了材料的OER催化性能。Co-NC@NiFeLDH表现出优异的OER/ORR催化活性（10mAcm-2的电流密度时电位为1.53V，半波电位为0.85V）。Co-NC@NiFeLDH驱动的锌-空气电池展现出的超高的比容量（789mAhg-1Zn）和良好的充放电循环稳定性（80h），优于Pt/C+RuO2基电池（745mAhg-1Zn，35h）。 （2）过渡金属磷化物（TMPs）纳米颗粒与杂原子掺杂碳复合材料是极有前途的非贵金属基双功能电催化剂，但是它们通常有大量的活性位点封存在碳材料的微孔中，无法参与催化反应。我们以有序PS纳米球为模板，沸石咪唑酯骨架（ZIF）为前驱体，经碳化-磷化合成了Co2P嵌入的Co、N、P共掺杂3D有序大孔结构碳材料（3DOMCo-NPC@Co2P）。3D有序大孔结构有利于暴露更多的活性位点并加快反应过程中的电子转移和物质传输速率。3DOMCo-NPC@Co2P复合材料表现出高效的OER/ORR催化活性（电流密度10mAcm-2时电位为1.58V，半波电位为0.88V）。以3DOMCo-NPC@Co2P为空气阴极催化剂组装的锌-空气电池表现出超高的开路电压（1.48V）和优异的充放电循环寿命（50h），优于Pt/C+RuO2基电池（1.44V，15h）。
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