氮摻雜分級(jí)多孔炭擔(dān)載四氧化三鈷的制備及其氧還原和氧析出性能研究.pdf

1、鋅-空氣電池具有比能量高、容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。鋅-空氣電池的核心材料是兼具氧還原(ORR)和氧析出(OER)活性的雙功能催化劑，目前多采用貴金屬（如Pt，RuO2和IrO2等），但受制于成本高昂和儲(chǔ)量有限，阻礙了鋅-空氣電池的商業(yè)化。因此，研究開(kāi)發(fā)高效的非貴金屬雙功能催化劑具有重要意義。本文將具有微觀有序多級(jí)結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)牛骨進(jìn)行碳化，制備了原位氮摻雜分級(jí)多孔炭(NHPC)材料，以NHPC為載體

2、擔(dān)載四氧化三鈷(Co3O4)納米粒子，制備了Co3O4/NHPC雙功能催化劑，研究了Co3O4/NHPC催化劑制備條件、組成結(jié)構(gòu)對(duì)ORR和OER電催化性能的影響規(guī)律。
　　首先，以牛骨為前驅(qū)體，采用KOH為活化劑，通過(guò)預(yù)碳化-碳化活化制備了高表面積且微孔-介孔-大孔三維連通的NHPC。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)KOH與預(yù)碳化產(chǎn)物質(zhì)量比為0.4時(shí)，制備的NHPC比表面積最大(2047m2g-1)，氮摻雜量為3.85％。在此基礎(chǔ)上，以NHPC為載體

3、擔(dān)載Co3O4納米粒子，采用油浴水熱法制備了Co3O4/NHPC復(fù)合催化劑。NHPC的超高比表面積和表面氮摻雜有利于促進(jìn)Co3O4納米粒子高度分散。當(dāng)油浴溫度80℃，氨水加入量1mL時(shí)，Co3O4納米粒子均勻地分散在炭載體上，其平均粒徑為7.2nm，明顯小于商業(yè)VulcanXC-72和BP2000炭材料擔(dān)載制備的催化劑。該催化劑同時(shí)保有了NHPC三維連通的孔道結(jié)構(gòu)，比表面積高達(dá)1070m2g-1，氮含量為4.93wt.％。
　　其

4、次，將制備的Co3O4/NHPC作為ORR和OER雙功能催化劑，揭示了電催化性能促進(jìn)機(jī)制。研究表明，Co3O4/NHPC催化劑的ORR催化活性和穩(wěn)定性均顯著優(yōu)于商業(yè)Pt/C，其半波電位為0.835V（比商業(yè)Pt/C高12mV），0.8V的動(dòng)力學(xué)電流密度為15.85mA cm-2（為商業(yè)Pt/C的3.76倍），經(jīng)10000s恒電位計(jì)時(shí)電流測(cè)試后電流僅下降9.3％。OER性能測(cè)試表明，該催化劑在電流密度為10mA cm-2時(shí)的電位為1.65

5、V，比商業(yè)RuO2高10mV，經(jīng)10000s恒電位計(jì)時(shí)電流測(cè)試后電流僅下降8.2％，表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)RuO2的OER催化活性和穩(wěn)定性。Co3O4/NHPC催化劑優(yōu)異的ORR和OER雙功能催化活性主要?dú)w因于高分散的Co3O4納米粒子、三維連通的分級(jí)孔結(jié)構(gòu)、高表面積以及具有協(xié)同催化作用的表面摻雜氮。
　　最后，將Co3O4/NHPC催化劑制備空氣電極，采用鋅片為陽(yáng)極組裝鋅-空氣電池，進(jìn)行了電池性能測(cè)試。結(jié)果表明，鋅-空氣電池開(kāi)路電壓達(dá)到