【摘 要】
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面对传统能源日益枯竭和环境污染加剧的现状,金属-空气电池（MABs）、燃料电池等先进的能源转化系统越来越受到重视。但是,氧还原反应（ORR）与氧析出反应（OER）动力学较慢、超电势高、转换效率较低,成为制约MABs、燃料电池等清洁能源设备的主要瓶颈之一。虽然Pt/C和Ru O2/Ir O2分别表现出出色的ORR和OER催化活性,但它们成本高、丰度低、稳定性差、催化活性单一,针对这些突出的问题,本论
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面对传统能源日益枯竭和环境污染加剧的现状,金属-空气电池（MABs）、燃料电池等先进的能源转化系统越来越受到重视。但是,氧还原反应（ORR）与氧析出反应（OER）动力学较慢、超电势高、转换效率较低,成为制约MABs、燃料电池等清洁能源设备的主要瓶颈之一。虽然Pt/C和Ru O2/Ir O2分别表现出出色的ORR和OER催化活性,但它们成本高、丰度低、稳定性差、催化活性单一,针对这些突出的问题,本论文开发了一系列高催化活性、优异稳定性和低成本的非金属ORR/OER催化剂。研究结果如下:（1）以苯胺（AN）和尿素为碳源和氮源,H3BO3为硼源,聚乙烯醇（PVA）为模板剂,通过低温聚合和二次热解得到了非金属BNC催化剂。物性分析发现,BNC具有高比表面积和三维多孔结构,可以促进丰富的N、B活性物种（吡啶-N、石墨-N和BC3）的充分暴露和反应物的快速传输。此外,通过分步将PVA与H3BO3加入聚合物反应体系,有效避免了二者的交联反应。因此,在实现自牺牲模板剂PVA利用率最大化的同时,有效促进了B原子掺杂进入石墨碳网络。电化学测试表明,BNC催化剂的起始电位Eonset为0.94 V,半波电位E1/2为0.84 V,与Pt/C(Eonset=0.97 V,E1/2=0.84 V)的相近。经过10000圈循环后,其E1/2和Eonset几乎未发生变化,表明BNC催化剂具有优异的循环稳定性。BNC基锌-空气电池（ZAB）在10 m A cm-2电流密度下的放电时间达到了45 h,功率密度为115.5 m W cm-2,说明BNC具有优异的实际应用潜力。（2）以碳纳米管（CNT）为载体,AN为碳源和氮源,多硫化物（Na2Sx）为硫源,采用低温聚合-高温热解方法,在CNT上原位生长N,S共掺杂多孔碳薄膜（NSCF）,制得了CNT@NSCF催化剂。由于CNT表面丰富的含氧官能团具有锚定作用,NSCF在大面积多孔薄膜上暴露出了更加均匀分散的活性物种,这可能是CNT@NSCF具有出色的ORR/OER双功能催化性能的根本原因。在碱性介质中,CNT@NSCF的△E(△E=E(j10,OER)-E(j-3,ORR))为0.74 V,优于Pt/C+Ru O2（△E=0.75 V）。CNT@NSCF基ZAB的峰值功率密度为96.7 m W cm-2,优于Pt/C+Ru O2(84.0 m W cm-2)。CNT@NSCF作为催化性能杰出的非金属ORR/OER双功能催化剂,在可充电ZAB、可逆燃料电池等能源转化系统的实际应用方面具有很好的潜力。
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