鈷基化合物-碳復(fù)合材料的制備及電催化性能研究.pdf

1、氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)，是制約再生燃料電池和金屬-空氣電池技術(shù)革新的關(guān)鍵過(guò)程。目前在OER和ORR中最有效的催化劑是貴金屬材料，有Pt、Ru和Ir等。然而，這些貴金屬材料的高成本、原材料稀少和穩(wěn)定性差等不足嚴(yán)重阻礙了它們的工業(yè)化應(yīng)用。因此合成經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、原料豐富、性能優(yōu)異的非貴金屬催化劑是當(dāng)前電池技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)之一。本論文結(jié)合碳材料和鈷基化合物在電催化反應(yīng)中的優(yōu)勢(shì)，合成了幾種鈷基化合物/碳復(fù)合材料，并對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)與

2、其電催化性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，為開(kāi)發(fā)燃料電池等的高效電極材料提供了基礎(chǔ)。論文的主要研究工作包括以下方面:
　　1、提出了一種不經(jīng)過(guò)高溫煅燒過(guò)程來(lái)制備電化學(xué)催化劑的簡(jiǎn)便方法。該方法以氧化石墨烯為模板，甲酰胺作碳源、氮源和還原劑，加入二價(jià)鈷鹽并在適當(dāng)溫度下加熱攪拌來(lái)合成鈷-氮碳/石墨烯（Co-NC/RGO）復(fù)合材料。與傳統(tǒng)Co-NC材料相比，該催化劑的制備過(guò)程沒(méi)有經(jīng)過(guò)高溫煅燒，避免了金屬鈷顆粒的團(tuán)聚，保留了更多的活性位點(diǎn)。同時(shí)，C

3、o-NC與石墨烯的復(fù)合，也保證了該材料的優(yōu)良導(dǎo)電性。這種制備方法的合成及后處理操作簡(jiǎn)易，經(jīng)濟(jì)節(jié)約，易于擴(kuò)大生產(chǎn)，具備良好的應(yīng)用價(jià)值。以Co-NC/RGO為電極材料，在堿性介質(zhì)中測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其在ORR和OER反應(yīng)中均具備優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性。以該催化劑作為陰極材料，以鋅片為陽(yáng)極，可組裝成高活性和高穩(wěn)定性的鋅-空氣電池，為金屬-空氣電池的發(fā)展提供了新思路。
　　2、以鈷鋁水滑石(CoAl-LDH)和石墨烯為前驅(qū)體，經(jīng)水熱過(guò)程合成了水滑

4、石與石墨烯的復(fù)合氣凝膠材料(CoAl-LDH/GA)，再通過(guò)高溫煅燒，得到鈷鋁氧化物/石墨烯氣凝膠(CoAl2O4/GA)。為了增加材料的催化活性，在水熱過(guò)程中加入了適量的氨水和水合肼進(jìn)行氮元素?fù)诫s。所獲得的CoAl2O4/GA復(fù)合材料在堿性條件下測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其對(duì)OER和ORR都有著很好的催化活性，是一種雙功能催化劑材料。該材料對(duì)ORR的催化活性可與20 wt％ Pt/C相媲美，而循環(huán)穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于后者，并且其對(duì)OER的循環(huán)穩(wěn)定性也優(yōu)于20

5、 wt％Ir/C。此復(fù)合材料原料來(lái)源廣泛，容易量產(chǎn)，是一種理想的電極材料。
　　3、提出了一種以鈷鋁水滑石(CoAl-LDH)為前驅(qū)體，利用聚偏二氯乙烯(PVDC)和LDH之間的化學(xué)作用來(lái)合成氮摻雜多孔碳材料(N-CNs)的新型方法。該材料保持了LDH的六方片狀結(jié)構(gòu)，具有較大的孔隙率，同時(shí)在合成過(guò)程中通過(guò)加入三聚氰胺摻雜氮元素，使其在OER和ORR反應(yīng)中均表現(xiàn)出優(yōu)良的電催化活性。同時(shí)，該材料在可充電式鋅-空氣電池的中也展現(xiàn)了優(yōu)異的