【摘 要】
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人类社会的快速发展也对能源的需求急剧增加,传统化石能源的储备量已经不能满足人类长期发展的需要。同时,传统化石能源大量使用所带来的环境污染和全球变暖等问题也引起人们的广泛关注。因此,开发清洁能源并储存利用是当前人类社会面对的重要任务。锌-空气电池作为一种应用前景广阔的能量转换与存储设备,具有理论能量密度高、安全无污染、结构简单、储量丰富等优点。目前,制约着其发展的因素之一就是空气电极催化剂的成本和性
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人类社会的快速发展也对能源的需求急剧增加,传统化石能源的储备量已经不能满足人类长期发展的需要。同时,传统化石能源大量使用所带来的环境污染和全球变暖等问题也引起人们的广泛关注。因此,开发清洁能源并储存利用是当前人类社会面对的重要任务。锌-空气电池作为一种应用前景广阔的能量转换与存储设备,具有理论能量密度高、安全无污染、结构简单、储量丰富等优点。目前,制约着其发展的因素之一就是空气电极催化剂的成本和性能。因此,开发低成本并且具有高活性的空气电极催化剂是解决这一问题的关键。微生物易于培养,通过繁殖可以短期内获得大量的原材料,能够有效降低成本。同时其丰富的形态也为材料的制备提供了丰富的模板,并且其富含的多种元素也提供了丰富的掺杂源。基于此,本论文利用生产生活中常见且对人体无害的两种微生物,通过吸附、原位生长、热解等简单方式,制备了氮掺杂的非贵金属催化剂,并应用到锌-空气电池中。探究了催化剂的物相组成和微观形貌结构对于催化性能的影响。论文的主要研究工作如下:（1）以酵母作为碳源,经过K2CO3活化得到了具有高比表面积和多孔结构的生物质碳,并作为活性位点的载体。通过吸附Co2+和1,10-邻菲罗啉（Phen）形成的配位化合物,再经过热解制备得到了负载Co纳米颗粒的氮掺杂多孔碳材料催化剂（Co NC-800）。作为氧还原催化剂,表现出0.854 V的ORR半波电位和5.3 m A cm–2的极限扩散电流密度。当该催化剂组装到自制的一次锌-空气电池中,表现出1.45 V的开路电位和188 m W cm–2的峰值功率密度,性能优于商业20%Pt/C组装的锌-空气电池。并且,该一次锌-空气电池在长达9天的放电过程中,能够保持一个稳定的放电电压。（2）以硫酸盐还原菌（SRB）作为自牺牲模板和掺杂源,采用原位生长的方法在菌体表面生长了不同金属比例的沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIFs）,再通过高温煅烧得到了具有分级多孔的微纳结构材料（ZIF67/8@SRB）,并作为电催化剂使用。实验结果证明,当Co和Zn的添加比例为1:1时,所制备得到的ZIF67/8-1:1@SRB表现出最好的氧还原和氧析出催化活性,当组装到自制的可充电锌-空气电池中,表现出297 m W cm–2的峰值功率密度和804 m Ah gzn–1的放电比容量。电池经过85 h的充放电循环后,其性能衰减远远低于用20%Pt/C+Ru O2组装的电池。
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