鋅--空氣液流電池雙效催化劑的制備及應(yīng)用.pdf

1、能源是人類社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和動(dòng)力。目前，73％的能源都來(lái)自石油、煤和天然氣等化石能源。但化石能源儲(chǔ)量有限，并且不可再生。發(fā)展可再生能源利用技術(shù)已是刻不容緩。太陽(yáng)能、風(fēng)能和潮汐能等再生能源都具有資源豐富的特點(diǎn)。雖然近年來(lái)，風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等可再生能源的裝機(jī)總量在不斷增加，但由于發(fā)電的不穩(wěn)定、不連續(xù)等原因，導(dǎo)致棄風(fēng)和棄光等問(wèn)題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)可能是可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定、不連續(xù)的最有效經(jīng)濟(jì)方案，也是提高可再生能源發(fā)電利用率

2、的重要手段。
　　鋅-空氣液流電池由于具有能量密度高，安全性好，價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，成為大規(guī)模高效儲(chǔ)能裝置的首選之一。而在鋅空氣液流電池中，正極氧還原/析出催化劑扮演著舉足輕重的角色，但正極氧還原和氧析出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，所以開發(fā)穩(wěn)定、高效的催化劑是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本課題通過(guò)制備高效、廉價(jià)、穩(wěn)定的氧還原/析出雙效催化劑，降低電池成本，提高電池性能，為構(gòu)建高效的鋅-空液流電池提供可行的方案。本文的主要內(nèi)容如下:
　　1)以普通碳纖維

3、紙(CFP)為載體，經(jīng)過(guò)強(qiáng)酸處理，產(chǎn)生缺陷。再通過(guò)水熱和高溫?zé)峤夥?，在硫摻雜的碳纖維紙(SCFP)上制備由非晶態(tài)NiSx-FeOy摻雜的具有雙效功能的自支撐氧電極。所制備NiSx-FeOy/SCFP催化劑擁有優(yōu)異的雙效性能，OER只需要0.37V的過(guò)電勢(shì)即可達(dá)到10mAcm-2的電流密度，并且ORR具有與商業(yè)20wt％Pt/C相當(dāng)?shù)陌氩娢弧０袾iSx-FeOy/SCFP直接作為鋅-空氣液流電池的正極并組裝鋅-空氣液流電池，表現(xiàn)出高的充

4、放電性能，并且劇烈地運(yùn)行110h而沒(méi)有性能衰減。
　　2)以東麗碳纖維紙為載體，使用電聚合法把2-氨基-5-巰基-1，3，4-噻二唑（AMT）聚合到碳纖維上。再經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤?，使之碳化、活化，得到PAMT/CFP。所獲得的PAMT/CFP可以直接作為鋅，空氣液流電池的正極，OER僅需要1.68V的電壓就能達(dá)到10mA cm-2的電流密度，ORR也是最好的，ORR半波電位大約在0.68V左右，為雙效催化劑的研究提供了一種新的思路。

5、r>　　3)以富含氮、硫等元素的有機(jī)單體，采用Sonogashira-Hagihara耦合反應(yīng)合成結(jié)構(gòu)與組成可調(diào)控的共軛微孔聚合物(CMP)。以共軛微孔聚合物作為前驅(qū)體，定向引入高密度、高分散的過(guò)度金屬原子，制備氮、硫和過(guò)渡金屬多摻雜的碳基催化材料，同時(shí)構(gòu)建豐富的氧還原和氧析出活性位點(diǎn)，測(cè)試ORR起始點(diǎn)位只有0.88V，半波電位0.78V，10mA cm-2電流密度對(duì)應(yīng)的電壓是1.68V。研究N、S和Fe、Ni等過(guò)度金屬之間的相互作用，

6、設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的雙效催化劑。
　　4)本研究以碳纖維紙作為載體，采用水熱和高溫?zé)峤夥ǎ诹驌诫s的碳纖維紙(SCFP)上制備Fe、Ni共摻雜的具有雙效功能自支撐氧電極，并組裝高效穩(wěn)定鋅-空氣液流電池。然后我們?cè)僖詵|麗碳纖維紙為載體，采用電聚合法和高溫?zé)峤夥ǎ谔祭w維表面聚合AMT，制備非金屬雙效氧電極。最后，我們以富含氮、硫等元素的有機(jī)單體，采用Sonogashira-Hagihara耦合反應(yīng)合成共軛微孔聚合物。再向共軛微孔聚合物中