作者：2016級(jí) 劉嘉寧 化學(xué)工程系
指導(dǎo)老師：張強(qiáng) 化學(xué)工程系
關(guān)鍵詞：鋅-空氣電池 雙功能催化 界面合成
摘要
氧還原（ORR）和氧析出（OER）反應(yīng)是鋅-空氣電池的關(guān)鍵反應(yīng)，開(kāi)發(fā)廉價(jià)而性能優(yōu)異的ORR/OER雙功能催化劑迫在眉睫。然而當(dāng)前，這兩類反應(yīng)由于動(dòng)力學(xué)過(guò)程緩慢、反應(yīng)活性位點(diǎn)不同，嚴(yán)重制約了鋅-空氣電池的能量轉(zhuǎn)化效率。金屬-卟啉單元具有較高ORR催化活性，而四氧化三鈷（Co3O4）具有較高OER催化活性。本課題通過(guò)界面合成的方式，原位復(fù)合卟啉有機(jī)骨架和Co3O4，構(gòu)筑復(fù)合雙功能催化劑，以實(shí)現(xiàn)OER/ORR性能的提高，進(jìn)而改善鋅-空氣電池的循環(huán)性能、功率密度、倍率性能等。
項(xiàng)目背景
傳統(tǒng)化石能源的枯竭及其造成的環(huán)境污染問(wèn)題產(chǎn)生了對(duì)清潔可持續(xù)能源的大量需求，但天然能源的不穩(wěn)定性限制了其開(kāi)發(fā)研究，故新型的規(guī)模儲(chǔ)能體系極為關(guān)鍵。鋅-空氣電池由于其儲(chǔ)能成本低、安全性高、環(huán)境友好、高功率密度等特點(diǎn)在規(guī)模儲(chǔ)能體系中體現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其正極反應(yīng)為氧析出和氧還原反應(yīng)，即在電化學(xué)的條件下水氧化為氧氣和氧氣還原為水的過(guò)程。氧析出和氧還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)十分緩慢，需要在較高的過(guò)電位下才能進(jìn)行，極大的限制了電池的實(shí)際性能。因此，開(kāi)發(fā)高性能的氧析出和氧還原雙功能催化劑是實(shí)現(xiàn)鋅-空氣電池實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。
衡量氧析出和氧還原雙功能催化活性的指標(biāo)為氧析出在電流密度為10 mA cm-2條件下的電位與氧還原半波電位之差?；谫F金屬的雙功能催化劑是目前報(bào)道的性能最高的催化體系，然而，貴金屬催化劑價(jià)格昂貴、來(lái)源匱乏、穩(wěn)定性較差，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備與應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)基于非貴金屬的氧析出和氧還原反應(yīng)雙功能催化劑尤為重要。
項(xiàng)目設(shè)計(jì)
尖晶石型金屬氧化物由可調(diào)節(jié)的二價(jià)、三價(jià)離子和氧負(fù)離子組成。前人工作表明，含Co的尖晶石型金屬氧化物具有很好地降低氧析出反應(yīng)過(guò)電位的活性。然而，無(wú)機(jī)氧化物本身的結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷，由于過(guò)密堆積導(dǎo)致活性位點(diǎn)暴露不足、導(dǎo)電性較差等原因，致使其氧析出反應(yīng)催化活性達(dá)不到理想預(yù)期。
卟啉有機(jī)骨架材料為以卟啉為構(gòu)筑節(jié)點(diǎn)，通過(guò)共價(jià)鍵的連接以熱力學(xué)可逆聚合的方式在二維方向上延展成的片狀材料。前期研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)卟啉小分子與Co的配位，可以有效提高卟啉單元的ORR催化活性。因此可以預(yù)期，采用卟啉為構(gòu)筑節(jié)點(diǎn)的卟啉有機(jī)骨架材料在理論上有望具有很好的ORR催化活性。
項(xiàng)目成果
本項(xiàng)目以鈷配位的卟啉有機(jī)骨架材料為模板，調(diào)節(jié)四氧化三鈷在納米尺度上的形核，從而構(gòu)建復(fù)合體系（PCC體系, Porphyrin-Co3O4 Composite體系），通過(guò)此界面合成方式得到的雙功能催化劑，穩(wěn)定性高、性能較貴金屬催化劑優(yōu)越，進(jìn)一步將其引入鋅-空氣電池體系（以鋅-空氣電池為實(shí)驗(yàn)體系），可有效改善正極側(cè)的三相界面穩(wěn)定性不足、動(dòng)力學(xué)緩慢等問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定，并具有優(yōu)越的倍率性能和較高的功率密度。
