基于含锌MOFs的催化剂的制备及其氧气还原/析出性能

• 作 者: 程晓草
• 机 构: 北京化工大学
• 出 处: 北京化工大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 催化剂 金属-有机骨架 制备工艺 氧气还原反应 氧气析出反应 锂空气电池

环境恶化和能源短缺问题日益突出，高效清洁的能量转换技术的研发成为解决这些问题的关键。锂空气电池由于其理论比能量密度高而引起广泛关注，然而其正极发生的OER/ORR反应极缓慢，降低了其实际能量密度。金属有机骨架材料的比表面积大、孔道结构丰富，在电催化领域具有巨大的应用潜力。金属Zn的沸点较低，在高温处理过程中，Zn的挥发可以使材料产生丰富的孔道。基于此，本文首先合成了含锌MOFs材料，然后对其进行掺杂、碳化制备成一系列电催化剂，并研究了它们的OER/ORR催化性能。　　通过搅拌合成法制备了MOF-5，然后进行高温碳化、掺杂氮元素。所制备的催化剂颗粒分布均匀。在0.1M的KOH电解液中，它们具有较好的ORR催化活性。其中，N/CMOF-5-500催化剂的ORR活性最佳，起始电压值为-0.088V，半波电势值为-0.179V，极限电流密度值为-5.510mA·cm-2，Tafel斜率值为-44.2mV·dec-1，电子转移数为3.91;但是它的OER活性较差。氮元素掺杂可显著提高催化剂的ORR活性。　　通过搅拌合成法制备Co/ZIF-8，随后进行高温碳化。制备出的催化剂具有较高的缺陷度。在0.1M的KOH电解液中，它们具有较好的ORR和OER催化活性。其中，CoZn-5催化剂的ORR/OER活性最好，ORR半波电势为-0.141V，极限电流密度为4.374mA·cm-2，Tafel拟合斜率为64.1mV·dec-1，电子转移数为3.77;OER的Tafel斜率是87.3mV·dec-1，0.8V电压下的电流密度达24.357mA·cm-2。对催化剂掺杂适量钴元素可明显提高ORR/OER活性。　　通过溶剂热法制备Fe/IRMOF-3，随后对其进行高温处理。制备出的催化剂具有较高的缺陷度和较高的氮元素和铁元素含量。在0.1M的KOH电解液中，它们具有较好的ORR和OER活性。其中，FeZn-10催化剂的ORR/OER活性最佳。ORR的半波电势为-0.158V，极限电流密度值为5.499mA·cm-2，Tafel拟合斜率为64.5mV·dec-1，电子转移数为3.96。OER的Tafel拟合斜率为50.5mV·dec-1，0.8V时的电流密度为16.791mA·cm-2。通过对催化剂掺杂一定量的铁元素，可以提高其双功能催化活性。