摘要
随着环境和能源问题的日益突出，清洁、可再生的电化学储能技术受到了人们的广泛关注。其中，铝空气电池（AABs）具有理论能量密度（8100Whkg?1）高，成本低，绿色可回收等优点，因此在电动汽车、备用电源、大型无人机等领域具有广阔的应用前景，但氧还原反应（ORR）缓慢的动力学严重限制了铝空气电池的整体性能。在过去的数年中，具有过渡金属-氮-碳（TM-N-C）结构的非贵金属催化剂由于其出色的ORR催化活性而引起了人们的广泛关注，并被认为是最有希望替代铂基催化剂的材料。然而，高活性的TM-N-C催化剂的开发仍然是一个具有挑战性的研究方向。因此，本论文通过调控中心金属原子以及设计特定的结构制备了两种TM-N-C双原子催化剂，并且研究了它们的结构、性能以及在铝空气电池中的应用。论文的主要研究内容如下： （1）制备了一种具有空心介孔结构和原子分散Fe-Co双金属位点的FeCo-N-C催化剂（FeCo-HNC）。通过一系列物理表征手段，对该氧还原催化剂的结构和组成进行研究，确定了它的活性位点为FeCo-N6。由于其特殊的空心介孔结构和FeCo-N6活性位点的共同作用，FeCo-HNC催化剂在碱性环境中表现出高催化活性和出色的稳定性，半波电位为0.907V，超过20%商业铂碳61mV。使用FeCo-HNC作为阴极催化剂组装的具有电解液循环系统的碱性铝空气电池在室温、空气中表现出804mWcm-2的功率密度，并且可以在50mAcm-2的电流密度下稳定运行200h。 （2）制备了FeCo-N掺杂三维大孔碳（FeCo-3DMNC）。对该氧还原催化剂进行了一系列表征，证实了该催化剂具有原子分散的Fe-N4、Co-N4双活性位点以及三维互连大孔的碳骨架。通过基于四电子机制的密度泛函理论(DFT)计算，进一步研究了Fe-N4和Co-N4在氧还原反应中的协同作用。得益于其独特的结构和组成设计，FeCo-3DMNC在酸性和碱性条件下均显示出优异的氧还原反应活性和稳定性，在酸性条件下半波电位为0.806V，碱性条件下半波电位0.905V。将铝板作为碱性阳极与负载FeCo-3DMNC的气体扩散电极作为酸性阴极，组装成流动混合碱/酸铝空气电池（fA/A-AABs）进一步验证其实际应用的可行性，该电池可以提供比传统铝空气电池更高的开路电压（2.72V）和更高的功率密度（827mWcm-2），在300mAcm-2电流密度下可以实现40h的稳定放电。
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