氮摻雜分級多孔炭擔載四氧化三鈷的制備及其氧還原和氧析出性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、鋅-空氣電池具有比能量高、容量大、成本低等優(yōu)點,在儲能和電動汽車等領(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量有限,阻礙了鋅-空氣電池的商業(yè)化。因此,研究開發(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結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)牛骨進行碳化,制備了原位氮摻雜分級多孔炭(NHPC)材料,以NHPC為載體

2、擔載四氧化三鈷(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KOH與預(yù)碳化產(chǎn)物質(zhì)量比為0.4時,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Co3O4納米粒子高度分散。當油浴溫度80℃,氨水加入量1mL時,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炭材料擔載制備的催化劑。該催化劑同時保有了NHPC三維連通的孔道結(jié)構(gòu),比表面積高達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機制。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的動力學電流密度為15.85mA cm-2(為商業(yè)Pt/C的3.76倍),經(jīng)10000s恒電位計時電流測試后電流僅下降9.3%。OER性能測試表明,該催化劑在電流密度為10mA cm-2時的電位為1.65

5、V,比商業(yè)RuO2高10mV,經(jīng)10000s恒電位計時電流測試后電流僅下降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歸因于高分散的Co3O4納米粒子、三維連通的分級孔結(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,采用鋅片為陽極組裝鋅-空氣電池,進行了電池性能測試。結(jié)果表明,鋅-空氣電池開路電壓達到

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