雙金屬-氮摻雜碳復(fù)合材料的制備及其氧氣還原-析出催化性能.pdf

1、近年來，金屬-空氣電池因其高比能量密度而備受關(guān)注。然而，動(dòng)力學(xué)緩慢的氧氣還原反應(yīng)(ORR)和氧氣析出反應(yīng)(OER)降低了金屬-空氣電池的效率，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。研發(fā)性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的非貴金屬ORR/OER催化劑對(duì)發(fā)展金屬-空氣電池具有重要意義。在眾多過渡金屬催化劑中，鈷基化合物具有很好的ORR和OER催化性能，而且Co儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，特別是摻雜后的化合物更具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性。論文通過加熱回流法以及后續(xù)的高溫煅燒，成功合成了Co-Sr

2、CO3/NC、Co-Nd/NC和Co-Ce/NC三個(gè)系列的雙金屬/氮摻雜碳復(fù)合材料。采用XRD、Raman、XPS、TEM、氮?dú)獾葴匚摳降确治鍪侄螌?duì)上述復(fù)合材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，通過電化學(xué)測試對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行ORR和OER催化性能評(píng)價(jià)，并且分析了他們的構(gòu)效關(guān)系。
　　以過渡金屬鈷和堿土元素鍶制備了雙金屬前驅(qū)體，然后通過不同溫度煅燒得到Co-SrCO3/NC系列復(fù)合材料。結(jié)果表明，金屬鈷被包裹在氮摻雜碳的石墨殼中，生成的SrCO3納米

3、棒則嵌入石墨殼中并與金屬鈷相接觸。在氧飽和0.1M KOH電解液中，Co-SrCO3/NC系列復(fù)合材料具有優(yōu)異的ORR/OER催化活性，尤其是Co-SrCO3/NC-600具有超越貴金屬催化劑20wt％Pt/C和IrO2的活性穩(wěn)定性。以Co-SrCO3/NC-600制備的空氣電極在鋅-空氣電池中也表現(xiàn)出優(yōu)異的放電性能。在10mA·cm-2電流密度進(jìn)行深度放電期間，以Co-SrCO3/NC-600作為空氣電極的鋅-空氣電池保持了1.10V

4、平穩(wěn)的放電電壓平臺(tái)，相同情況下的20wt％Pt/C的放電電壓平臺(tái)為1.17V。放電至0.6V時(shí)，放電停止。在這期間，Co-SrCO3/NC-600復(fù)合材料的放電容量為486.31mAh·gZn-1，高于20wt％Pt/C的446.99mAh·gZn-1。利用過渡金屬鈷和稀土元素釹制備的Co-Nd/NC系列復(fù)合材料具有較大的比表面積和豐富的介孔結(jié)構(gòu)。在氧飽和0.1M KOH電解液中，對(duì)于OER反應(yīng)，Co-Nd/NC-700在10mA·cm

5、-2時(shí)的電位為1.65V（vs.RHE），其催化活性超越IrO2;對(duì)于ORR反應(yīng)，Co-Nd/NC-800的半波電位為0.78V(vs.RHE)，僅比20wt％Pt/C的半波電位低0.04V。Co-Ce/NC系列復(fù)合材料具有穩(wěn)定的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)及較大的比表面積。在氧飽和0.1M KOH電解液中，Co-Ce/NC-600表現(xiàn)出最為優(yōu)異的ORR/OER雙功能催化活性和穩(wěn)定性。對(duì)于OER反應(yīng)，其10mA·cm-2時(shí)的電位為1.70V(vs.RHE