一、新型纳米晶双功能氧电极的研究（论文文献综述）
吕丹丹[1]（2021）在《掺杂多孔碳基非贵金属电催化剂的设计及性能调控研究》文中提出氧还原反应（ORR）、析氢反应（HER）和析氧反应（OER）是可再生燃料电池、可充电金属-空气电池和电化学水裂解装置等绿色电化学能源存储和转化技术的核心反应。然而ORR和OER反应较为复杂、动力学缓慢、不能自发进行,都依赖于贵金属催化剂的催化作用,严重制约了绿色能源的产生和转化利用。基于此,合理的设计和开发非贵金属氧电催化剂是解决目前困境的最重要的途径。尽管一直都有最新的研究进展,但在碱性和酸性介质中合理设计和合成用于ORR和OER的非贵金属电催化剂,仍然是研究者们需要不断探索的关键问题。异质原子掺杂的碳基材料因其具有优异的导电性、多孔结构、良好的化学稳定性而得到了广泛关注,是一个很有前途的探索策略。因而本课题,以2,6-二乙酰基吡啶为前驱体通过组分调控,合成了具有独特成分组成和结构特点的异质原子掺杂多孔碳基催化剂材料,并具有优异的电催化功能活性。此外,本课题还利用理论计算探讨了催化剂的活性位点来源,解析了微观结构和催化活性的关系。主要内容如下:（1）以1,8-二氨基萘和2,6二乙酰基吡啶为反应物前驱体集合生成新型双亚胺基吡啶聚合物,以六水氯化铁为金属前驱体经过络合后进行热解制备了碳球状单原子分散的Fe-N-C催化剂。对该催化剂进行了一系列的物理表征和电化学活性测试。结果表明用该前驱体无模板或载体制备的Fe-N-C催化剂具有超高的比表面积（1790 m2/g）、高石墨化程度等优点。该Fe-N-C材料内部及表面高度分散有单原子Fe与N形成独特的Fe-N5配位结构。同时,该催化剂材料在0.5 M硫酸和0.1 M KOH中不仅表现出优异的ORR催化活性和选择性,还具有优异的OER催化性能。总的氧电催化活性为碱性介质中0.70 V和在酸性介质中为0.86 V。（2）以2,6-二乙酰基吡啶和3,3’-二氨基联苯胺为反应物前驱体,本工作探究了氯化钴、硝酸钴、乙酸钴三种钴前驱体与催化剂结构和性能的关系。通过热解制备了Co-N-C多功能电催化剂用于高效水分解和氧还原催化反应。结果表明Co-N结构和封装在N掺杂的碳基体中的金属钴纳米粒子具有很强的协同效应。钴离子源对最终的碳材料性能有显着影响。以乙酸钴为前驱体制备的Co-N-C催化剂具有良好的综合性能。这种优异的活性可归功于被包覆的金属态钴和Co-N基团之间的协同作用。研究还表明Co-Nx是ORR的十分有效的活性位点,而金属态的钴则对水分解反应具有巨大的活性贡献。（3）基于以上两个工作,又以2,6-二乙酰基吡啶和3,3’-二氨基联苯胺为反应物,按照不同Fe和Co摩尔比制备得到含铁-N和钴-N结构有机金属络合物。对络合物粉末进行热解及后处理得到FexCoyNC催化剂。探究了Fe和Co的比例对催化剂的结构以及性能的影响。本工作所制备的催化剂具有Fe以Fe-Nx结构的形式存在,Co则以少量的Co-Nx结构和多数的金属态Co两种状态存在。其中Fe:Co比例为1:5的催化剂（Fe1Co5NC）在酸性和碱性电解液中都具有最优的ORR性能。Fe1Co5NC组装的锌-空气电池,放电时的峰值能量密度达到了284 mW·cm-2。测试结果表明微量Fe原子可以显着提高Co-N-C催化剂的ORR催化活性。DFT计算同样辅助证明了Fe-N-C（含少量Co-Nx）层包裹Co金属纳米颗粒结构比单独使用Fe-N-C和金属态Co时具有更优的氧中间产物吸附能量势垒,即比他们单独作为催化时具有更高的ORR催化活性。（4）将2,6-二乙酰基吡啶和4,4’-二氨基二苯二硫醚为反应前驱体,六水合氯化钴为钴盐,得到了Co9S8包覆于氮、硫掺杂碳中（Co9S8@N,S-C）的催化材料。该催化剂具有丰富的大、中孔结构,具有高效的双功能氧电催化活性,其ORR半波电位达到了0.89 V,OER过电位仅304 mV,双功能电位差仅有0.647 V vs RHE。用Co9S8@N,S-C组装的可充放电锌-空气电池的测试表明:其最大输出功率密度为259 mW·cm-2,比容量为862m Ah·gZn-1。此外,Co9S8@N,S-C组装的Zn ABs具有比Pt/C+IrO2更高的稳定性。连续运行110 h后,充放电电压间隙仅略微增大约90 mV,往返效率仅降低4.83%（而Pt/C+IrO2降低了14.48%）。DFT计算表明N、S共掺杂的碳层和Co9S8调节彼此的费米能级,大大提高了材料的导电性,并使电子迅速转移到活性位点,制备的Co9S8@N,S-C催化剂实现了更优的吸附效果,比单独使用Co9S8具有更高的催化活性。（5）由于金属Fe和Co在催化过程中易发生金属的脱落,因而本工作又以2,6-二乙酰基吡啶、1,5-萘二胺和2,5-二硫二脲为氮、碳源和硫源,通过调节三个单体的摩尔比探究了非金属NS/C氧电双功电催化剂。当三个有机物的摩尔比为1:0.5:0.5时所得到的的NS/C催化剂在0.1 M KOH中具有最高的ORR和OER催化活性,ORR/OER双功能电位差仅有0.72 V vs RHE,远超过了商业Pt/C+IrO2。用该催化剂组装的可充放电锌-空电池测试结果显示,其提供的最大输出功率密度149 mW·cm-2,比容量可达769m Ah·gzn-1,且可以稳定的充放100小时后仅衰减28.36%,活性和稳定性远超过相同质量负载的Pt/C和IrO2（1:1 wt.%）混合催化剂组装的锌-空电池（衰减37.18%）。本工作的理论计算结果表明,NS/C的高活性主要来源于由特定的N和S掺杂所诱导的带有正电荷和自旋密度的C原子。
曹硕[2]（2021）在《过渡金属和非金属碳基氧电极催化剂的制备和性能研究》文中进行了进一步梳理随着能源危机和环境污染等问题日益严重,绿色、可持续发展的新型能源转换装置如金属-空气电池引起了人们的广泛关注。然而,其氧电极上的氧还原（ORR）和氧析出（OER）反应动力学过程缓慢、催化剂成本高等问题,极大地限制了它们的快速发展。对此,本论文设计制备了过渡金属双功能氧电极催化剂和非金属碳基ORR催化剂,并通过物性表征和电化学方法探索了催化剂结构和性能之间的内在关联,具体研究内容如下:（1）采用水热方法,在过渡金属层状碳化物Ti3C2上原位生长层状镍铁双氢氧化物（NiFe-LDH）,然后通过静电相互作用负载铁酞菁（FePc）,制备了一种FePc纳米颗粒均匀分散在NiFe-LDH/Ti3C2表面的二维（2D）多层结构FePc-NiFe-LDH/Ti3C2双功能氧电极催化剂。NiFe-LDH/Ti3C2和FePc两者之间存在电子相互作用,提高了NiFe-LDH的OER催化活性。FePc-NiFe-LDH/Ti3C2的ORR半波电位(E1/2)比Pt/C的正80 m V,在10 m A cm-2下的OER电位比Ru O2的负59 m V。以FePc-NiFe-LDH/Ti3C2作为空气电极组装锌-空气电池,其峰值功率密度达243 m W cm-2,经过200 h的充放电测试之后,电池性能基本保持不变。（2）在Ti3C2上采用水热方法生长NiCo-LDH,然后通过静电相互作用吸附FePc,制备了FePc纳米团簇均匀分散于NiCo-LDH/Ti3C2表面的2D多层结构FePc-NiCo-LDH/Ti3C2双功能氧电极催化剂。NiCo-LDH和FePc之间的电子相互作用,有利于提升NiCo-LDH的OER催化活性。FePc-NiCo-LDH/Ti3C2催化剂催化ORR的E1/2比Pt/C的正80 m V,在10 m A cm-2下的OER电位比Ru O2的负89 m V,且展现出优异的稳定性。以FePc-NiCo-LDH/Ti3C2作为空气电极组装锌-空气电池,其峰值功率密度为148 m W cm-2,可以连续充放电工作80 h。（3）通过水热-热解策略制备了富含缺陷的N和S共掺杂碳基三维（3D）分级多孔结构CNS非金属催化剂。CNS催化剂呈现出以介孔孔道为主的类海绵结构。其3D分级多孔结构降低了电子传输的阻力,提高了反应物和中间体的传质速率。DFT结果表明,N、S共掺杂可以增加碳材料的电导率和结合能,进而提高其ORR催化活性。CNS材料催化ORR的E1/2为0.88 V,超过Pt/C催化剂60 m V。经过8,000圈循环稳定性测试后,ORR的E1/2仅负移2 m V,表明CNS具有优异的循环稳定性。以CNS催化剂为阴极的锌-空气电池具有极高的峰值功率密度(144 m W cm-2),该催化剂有望替代商业化Pt/C催化剂,推动锌-空气电池的快速发展。
阚东晓[3]（2021）在《MXenes基双功能单原子电催化剂的第一性原理研究》文中指出随着全球能源的消耗和环境污染的问题日益严重,人们对环境友好,可持续发展的绿色能源的需求与日俱增。在诸多的绿色能源体系中,电化学能源技术由于具有清洁环保、可二次利用等优点,已成为当前最具潜力的新能源技术之一。其中,燃料电池和金属空气电池都是以氧电极反应作为驱动力,对电能进行存储与释放的能源装置。由于能够实现污染物的“零排放”,并且具有高效的清洁能源转化的效率,燃料电池和金属空气电池的发展和使用受到了社会各界的广泛关注。然而,可惜的是,这两种电池的能源技术在实际的应用中一直受到氧还原反应（ORR,放电过程）和析氧反应（OER,充电过程）的缓慢动力学的制约。因此,开发具有高活性、高稳定性、低成本的双功能ORR/OER电催化剂对于提升燃料电池和金属空气电池的性能,缓解能源危机和环境污染具有重要意义。以密度泛函理论（DFT）和量子力学作为基础的第一性原理计算的方法在高活性催化剂材料的筛选以及设计的过程中发挥了十分重要作用。不仅能够合理的模拟化学反应条件,预测催化剂的稳定性和活性,并且能够从微观角度理解催化反应过程和基本原理。本论文充分使用了第一性原理计算的相关优势,通过研究ORR和OER的反应机制,针对高效、低廉、可持续发展的双效催化剂提出了系统而合理的设计方案。MXenes作为一种新型的二维过渡金属基碳（氮）化合物材料,由于其具有优异的导电性、良好的电化学稳定、高比表面积、可调节的表面电化学性质等特点,在催化剂基底材料的应用方面展现出了巨大的优势。此外,单原子催化剂是尺寸最小的原子级催化剂,能够在提高金属利用率的同时极大地优化催化剂的活性,在电化学研究领域具有非常广阔地应用前景。因此,本论文主要以MXenes作基底材料,引入金属单原子,设计高效的ORR/OER双功能催化剂。主要的研究内容如下:（1）本研究使用第一性原理方法,提出了通过引入Pd/Pt单原子来调控Nb2CT2（T=O,F,OH）的电子结构,从而设计高效的ORR/OER双功能催化剂的有效方案。当Pt单原子掺杂到含有官能团空位的Nb2CO2和Nb2CF2表面时（表示为Nb2CO2–VO–Pt,Nb2CF2–VF–Pt）,此类单原子催化剂展现出了优异的ORR/OER双效催化活性。特别是Nb2CF2-VF-Pt,其活性甚至超过了传统的Pt（111）和IrO2（110）催化剂,其ORR和OER的理论过电位低至0.40 V和0.37 V。通过计算催化过程中的电子结构、火山图和电荷转移机制,揭示了Nb2CF2-VF-Pt单原子催化剂具有高效催化活性的根本原因。其高活性主要取决于单原子催化剂的给电子能力,以及表面官能团与Pt原子的协同效应。此外,研究计算了催化剂的贵金属利用率,提出了当Pt原子的利用率实现100%时,Pt单原子在Nb2CF2表面掺杂的最小理论半径。（2）应用第一性原理计算的方法,沿用前一部分的催化剂模型,系统地研究了Pt单原子在26种典型的MXenes表面掺杂后所形成的单原子催化剂的相关性质。通过计算Pt单原子在MXenes表面掺杂后的形成能和Pt单原子的扩散能垒,评估了单原子催化剂的稳定性。通过计算电荷转移机理,揭示了Pt原子不仅是单原子催化剂的活性中心,并且是MXenes基底与反应物之间电荷转移的媒介。研究工作还探究了决定催化性能的主要因素,包括Pt-5d电子态、单原子催化剂的功函数、MXenes种过渡金属层的电负性、C和N原子层的得电子能力,以及O,F官能团原子中的电子空轨道数目。研究发现,V、Ti、Nb、Cr四种过渡金属构成的MXenes作为基底材料时,单原子催化剂具有良好的ORR活性,特别是,Nb2CF2-VF-Pt、Nb4C3F2-VF-Pt和Cr2Ti C2F2-VF-Pt,这三种单原子催化剂同时展现出优异的OER活性。本研究不仅筛选出了高效的双功能单原子催化剂,并且揭示了这些催化剂具有高活性的深层原因,突出了以MXenes为基底设计高效的ORR/OER双功能催化剂的巨大潜力。（3）结合之前的文献报道和前两部分的研究工作,本研究基于第一性原理计算,以氧官能团修饰的MXenes负载Pt单原子为研究主体,以筛选稳定性和活性更高的Pt单原子催化剂为目标,对所有可能的MXenes材料展开了探究。研究首先通过计算21型MXenes负载的Pt单原子催化剂的催化性质,分析了氧官能团修饰的MXenes应用于Pt单原子催化剂的缺点,表明其低活性的原因是由于Pt和C原子周围较低的电子密度。随后提出了通过在21型MXenes中引入功函数较低的过渡金属层来调整MXenes的电子结构,进而增强Pt和C原子周围的电子密度的方法。基于这一研究思路,设计了18种潜在的氧官能团修饰的Pt单原子催化剂,并通过计算催化剂的过电位、溶剂化效应、反应能垒等重要参数,评估了催化剂的活性,筛选出了四种以氧官能团修饰的具有ORR/OER双功能催化活性的（Cr2Nb2C3O2-VO-Pt、Cr2Ta2C3O2-VO-Pt、Cr2Nb C2O2-VO-Pt和Cr2Ta C2O2-VO-Pt）单原子催化剂。研究发现,所筛选出的目标催化剂均是以Cr基MXenes为基底的,彰显了Cr基MXenes体系在设计双功能Pt单原子催化剂中的重要意义。（4）本研究采用第一性原理计算方法,设计并筛选出了一系列高效的MXenes基非贵金属单原子催化剂。研究工作首先归纳了可用于设计单原子催化剂的后过渡金属和M（M代表MXenes中的前过渡金属）的电负性与功函数的数值,并将M和后过渡金属分别分为三组。随后,在每组中选取具有代表性的材料分别进行组合,来设计单原子催化剂。通过计算催化剂中金属单原子与MXenes基底的电荷转移机制,以及O2分子在这些单原子催化剂表面的吸附能数值,对MXenes的种类进行了初步筛选,节省了计算成本。研究表明,只有当M=Mo或W时,才有可能实现以MXenes为基底的非贵金属单原子催化剂的设计。随后,以Mo2CT2和W2CT2（T=O;F）为基底材料,以Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn为活性位点,构建了24种可能的非贵金属单原子催化剂。通过计算催化剂的形成能,ORR/OER反应的理论过电位等参数筛选出了四种具有双效催化活性的非贵金属单原子催化剂特别是Mo2CO2-VO-Fe,其ORR和OER活性均优于传统的贵金属催化剂,甚至超越MXenes负载的贵金属单原子催化剂。此外,研究还对比了Mo2CT2和W2CT2为基底材料对催化剂活性的影响,揭示了Mo2CT2为基底的催化剂具有高活性的本质原因,为研究MXenes基非贵金属单原子催化剂提供了可靠的理论依据。
王德鹏[4]（2021）在《杂原子掺杂碳包覆钴基材料的合成及其在电催化中的应用》文中进行了进一步梳理金属空气电池、燃料电池和电解水等电化学能量转换和存储技术的应用可以缓解严峻的资源环境等问题。这些技术主要涉及氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）、析氢反应（HER）和氢氧化反应（HOR）四个反应。常用的贵金属材料（如铂、铑和铱）尽管在上述反应中表现出优异的电化学性能,但原材料稀缺以及价格昂贵等因素限制了其在工业中的应用。因此,亟需开发高效、稳定且具有高效催化活性的非贵金属材料催化剂来满足工业应用。杂原子掺杂碳包覆过渡金属基催化剂具有高密度的活性位点和强组分间协同效应等优点,因此被广泛用于电催化反应中。本论文以杂原子掺杂碳包覆过渡金属材料为出发点,设计并合成了N掺杂多孔碳包覆钴催化剂和N、P共掺杂碳包覆磷化钴催化剂,并将其应用到ORR、OER和HER中。主要研究内容如下:（1）通过对多种前体进行溶胶-凝胶预处理和热解,合成了氮掺杂多孔碳包覆钴的复合材料（Co@NC）。溶胶-凝胶预处理可确保每种前体的高度分散,有利于形成均匀且高密度的活性位点。热解后,酸处理可以去除表面上未封装的Co纳米颗粒,从而形成多孔结构并提高催化剂的质量活性。得益于优异的合成策略,合成了具有大表面积,高活性位点密度（石墨氮,吡啶N和Co-Nx）的Co@NC-850。与商业Pt/C相比,Co@NC-850表现出更加出色的氧还原性能(E1/2=0.85 V vs.RHE),同时其还具有比商业Ru O2更高的OER活性(在10 m A cm-2下具有350 m V的过电势)。Co@NC-850的电势差ΔE(在10 m A cm-2时析氧电位与氧还原E1/2之间的差值)仅为0.73 V。与已开发的最新双功能氧电催化剂相比,Co@NC-850在双功能活性和耐用性方面具有明显的优势。（2）采用溶胶凝胶法对多种前体进行溶胶-凝胶预处理,通过两次煅烧制备了N、P共掺杂碳和碳纳米管包覆Co2P纳米颗粒的复合材料（Co2P@NPC）作为OER和HER电催化剂。其中,Co2P@NPC-800在析氧反应和析氢反应中均表现出优异的电化学活性（过电势分别为290 m V和149 m V）。优越的电化学活性可能归因于在Co2P@NPC-800中氮磷掺杂碳基底与钴磷化物活性位点之间的协同作用。
许煜阳[5]（2021）在《二维过渡金属化合物-介孔碳复合材料制备及其电催化性能研究》文中认为电解水制氢、燃料电池、可充电金属-空气电池等新型电化学能量存储与转化技术中都涉及氧电极的反应,如氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）,受限于反应过程的动力学因素,常常出现过电位大、循环稳定性差等问题,影响能量转化效率。目前普遍使用的氧电极催化材料多以贵金属为原料,成本较高,且催化性能单一,不能同时满足充放电需求,成为电化学储能设备发展的瓶颈。介孔碳的生产成本低,其介孔结构可以促进化学反应的传质过程,碳网格稳定性强,电子结构可以通过多种元素掺杂调控,具有成为催化剂的潜力。过渡金属硒化物、磷硫化合物等层状晶体具有活跃的3d电子,常具有较高的氧化还原活性,特别是在剥离成二维结构后比表面积增大,面内电子传输便利,暴露出丰富的边缘和活性表面。本文采用液相剥离的方法制得过渡金属硒化物、磷硫化合物的二维纳米片并将其与介孔碳复合得到新型氧电极催化剂。二维纳米片与碳基底的协同效应促进了电子的传输,产生了丰富的活性位点,促进了催化反应中间产物的吸附、脱附过程,从而增强了介孔碳的双效催化性能,介孔碳的支撑与保护避免了二维纳米片的破坏或团聚,维持了催化作用的稳定性。从硒化物系列材料中选出的CoSe@NMC在经历5000圈CV循环后,仍具有优秀的起峰电位（1.52V,OER）和半波电位（0.90V,ORR）。过渡金属磷硫化合物中的NiPS3@NMC展现出更高的催化活性（OER起峰电位1.48 V,ORR半波电位0.90 V）,证明了过渡金属化合物二维纳米片与介孔碳复合后的卓越双效催化特性,为电极材料催化材料的设计提供了新的思路。
王天宇[6]（2021）在《基于MOF衍生物的锌空气电池催化剂的性能研究》文中提出随着环境污染和能源危机的日益严重,发展可再生能源及新型储能系统已成为各国实现节能减排、应对能源危机的共识。锌空气电池（ZABs）因具有高比能量、低成本、高安全性等优点而成为新能源技术中的研究热点。然而现有的氧电极催化剂因活性和耐腐蚀性差等缺点,严重阻碍了锌空气电池的发展。因此,本文基于形貌可调的沸石咪唑酯骨架（ZIF8）材料,通过添加诱导剂及金属配位的方式,合成了具有不同形貌的TiC@N-C和MnO@Cu-N-C氧电极催化剂材料,大幅度提升了锌空气电池的电化学性能。TiC@N-C催化剂ORR半波电位高达0.81 V,且在5 m A cm-2的电流密度下可持续充放电280小时,表现出优异的催化活性和电化学稳定性。基于TiC@N-C组装的锌空气电池实现了176 mW cm-2的峰值功率密度。MnO@Cu-N-C催化剂对氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）均表现出显着的催化性能。其ORR的半波电位高达0.81 V,电流密度为10 mA cm-2时OER电位为1.64 V,所组装的锌空气电池功率密度达到196.8 mW cm-2。进一步的充放电循环性能测试表明,MnO@Cu-N-C基锌空气电池在10 mA cm-2下可稳定循环650小时,充放电电压差仅为0.7 V,显示MnO@Cu-N-C具有优异的电化学循环稳定性,是一种非常有前途的高性能锌空电池氧电极催化剂。
米亚军[7]（2021）在《掺杂碳基耦合氧电极材料的制备及性能研究》文中认为在诸多能源储存与转换技术中,金属空气电池由于其本身优势显示出巨大应用潜力,而锌空电池作为其中很重要的一类,成为目前研究的热点,有着非常可观的应用前景。然而,受限于锌空电池氧电极反应动力学和传质动力学缓慢、稳定性差等原因,锌空电池的潜在优势很难得到充分发挥,其中氧电极材料的制备是技术难题。因此,开发具有高性能的氧电极对于提高锌空电池的性能（能量密度、倍率性能、循环稳定性等）至关重要。碳材料具有高比表面积、高电导率、结构可调、制备方便、经济可行等优点,已在电催化领域被广泛报道。但单一的碳材料在实际应用中具有一定的局限性,而纳米碳材料可以通过与各类有机无机材料复合,制备出具有优异性能的催化剂,以达到替代贵金属催化剂的效果。所以,合理地将不同活性组分与碳基材料耦合,可以制得理想的掺杂碳基耦合氧电极材料。本论文以聚间苯二胺和沸石咪唑骨架氮掺杂碳前体,分别与YF3,Co S2和Ni Co2O4复合之后制备了一系列低成本、高催化活性的氧电极催化材料。首先,通过聚间苯二胺包覆球状YF3,热解后制得一系列YF3@NC复合催化材料,研究了其ORR催化性能及作为氧电极应用于锌空电池;随后,以共晶盐为模板,热解含铁的聚间苯二胺解得到多孔Fe NC,在其表面负载Co S2,实现Fe NC与Co S2耦合,得到Fe NC-Co S2耦合杂化材料,研究了Fe NC-Co S2的双功能催化性能,并考察了作为氧电极在锌空电池中的应用;接着,以ZIF衍生掺杂碳材料耦合Ni Co2O4,实现了双功能催化,并将其作为氧电极材料应用于可穿戴锌空电池。另外,均采用SEM,TEM,XRD,XPS,BET,Raman等测试对催化剂结构进行了表征。具体结果如下:第Ⅰ部分氟化钇掺杂的含氮碳作为锌空电池的高效氧电极催化剂使用间苯二胺作为氮和碳源,制备了YF3掺杂的含氮碳（YF3@NC）电催化剂。氯化钇,氟化铵和L-精氨酸分别用作Y源,F源和助剂。YF3球形前体是通过一种简便的精氨酸辅助水热法获得的,然后将包覆在球形YF3并在高温下热解以制备YF3@NC。探究了不同热解温度和不同掺杂比例对催化性能的影响。发现过低的掺杂比例会导致催化活性的不足,而过高的掺杂比例则会导致催化剂导电性下降,进而影响催化性能;同时,随着温度的升高,催化剂石墨化程度增加,催化剂性能又逐步提升。优化后的YF3@NC具有正的起始电位（0.943 V）,半波电位（0.836 V）,高电流密度和良好的循环稳定性（10小时衰减:13%）。当将YF3@NC用作锌空电池氧电极催化剂时,所得电池具有很高的开路电势（1.478 V）和峰值功率密度(75 m W cm-2)。第Ⅱ部分Co S2与多孔Fe NC强耦合作为可充电锌空电池的高效双功能催化剂采用共晶盐辅助半封闭碳化策略,通过冷冻干燥法制备三维多孔KCl+Zn Cl2共晶盐。然后,在三维多孔KCl+Zn Cl2共晶盐表面聚合聚间苯二胺（Pm PD）。然后,对得到的固体进行热分解和酸浸,得到三维多孔结构。最后,通过简单的水热和硫化步骤,在多孔Fe NC上生长出Co S2。Fe NC-Co S2催化剂显示出良好的电子和传质能力,暴露出大量的ORR/OER活性位。因此,它表现出优异的催化活性和耐久性(E1/2=0.848 V)和OER(E-2j=10 m Acm=1.608 V)。此外,组装好的可再充电锌空电池显示出出色的放电峰值功率密度～117.6 m W cm-2和581.3 m Ah g Zn-1的高容量,以及出色的可逆性和稳定性。第Ⅲ部分ZIF衍生掺杂碳材料耦合Ni Co2O4作为氧电极材料应用于可穿戴锌空电池通过热解叶状ZIF生成了一种二维Co,N掺杂碳纳米片（Co NCNS）,进一步通过水热法与Ni Co2O4杂化得到一种耦合杂化的双功能电催化剂（Ni Co2O4/Co NCNS）,其表现出优异的双功能催化活性ORR(E1/2=0.849 V)和OER(E-2j=10 m Acm=1.582 V)。此外,将Ni Co2O4/Co NCNS作为锌空氧电极催化剂,组装的锌空电池表现出高的功率密度(148.3 m W cm-2),高的比容量(699.9 m Ah g Zn-1),经过115小时345次的充放电循环依旧表现出优异的稳定性与可逆性。实验结果表明,三种掺杂碳基耦合氧电极材料具有结构稳定、催化性能优异等特点,作为锌空电池氧电极有效弥补了锌空电池倍率性能差、循环寿命低等短处。表明掺杂碳基耦合材料在锌空电池氧电极应用方面具有很大的应用潜力。
覃尤成[8]（2021）在《石墨炔负载过渡金属原子催化氧电极反应的理论研究》文中研究说明化石燃料的不断消耗和全球环境的日益严峻引起了人们对清洁可持续的能源存储与转换装置广泛的研究兴趣,比如:金属-空气电池、燃料电池和电解水装置。其中,析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）决定着这些能源存储与转换装置的整体效率。但是,OER和ORR都需要高效的电催化剂来克服其高的过电势和缓慢的动力学过程。到目前为止,钌和铱的氧化物Ru O2/Ir O2是最好的OER催化剂,而铂则是最好的ORR催化剂。然而,高成本、低储量和差容忍性阻碍了它们大规模的商业化应用。此外,这些商业化的贵金属催化剂都没有令人满意的双功能OER和ORR催化活性。因此,开发高效且廉价的双功能OER和ORR催化剂是非常必要的。近年来,由于单原子/团簇催化剂的原子利用率高、催化活性高以及成本低,其正在迅速发展并且被认为是贵金属催化剂的潜在替代品。而合适的基底材料对于单原子/团簇催化剂至关重要。在实验上刚合成的新型二维γ-石墨炔（γ-GY）和石墨二炔（GDY）,有着天然的乙炔环大孔结构,是一类极佳的单原子/团簇催化剂基底材料。基于此,本文把过渡金属（TM）原子负载到γ-GY和GDY基底上设计了一系列单原子/团簇催化剂,并使用密度泛函理论（DFT）从热力学和动力学角度对设计的单原子/团簇催化剂的稳定性、催化性能、活性起源、反应机理以及活性趋势等进行了系统的研究以筛选出稳定高效的双功能OER和ORR催化剂。主要工作如下:（1）尽管以γ-GY为基底的单原子催化剂应用于各种电催化反应中,但除了2个后TM原子锚定在γ-GY基底上用于氮还原以外,其它γ-GY基催化剂都是第一周期TM原子,并且这些γ-GY基催化剂所表现的OER和ORR性能与贵金属Ru O2/Ir O2和Pt仍有差距。因此,本工作以γ-GY为基底负载6种后TM原子（Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt）设计了一系列γ-GY@TM催化剂,并对其稳定性、OER和ORR催化活性以及活性来源进行了详细研究。DFT计算结果表明这6种后过渡金属原子都能稳定的锚定在γ-GY的乙炔环上。其中,γ-GY@Rh的OER过电势为0.42 V,与商业化贵金属Ru O2的过电势（0.43 V）相当,表明γ-GY@Rh是一种潜在的OER催化剂。相比于其它5种γ-GY@TM催化剂,γ-GY@Rh能展现出高效的OER活性是由于Rh活性位点与中间体的吸附强度处于中间值。（2）工作（1）的研究结果表明,γ-GY@Rh虽然具有高效的OER活性,但其ORR性能并不佳。而用杂原子掺杂的方法来提高催化活性在实验和理论上都得到了证实,但杂原子掺杂是如何调控单原子催化剂电催化活性的完整图像仍然难以捉摸。因此,本工作将石墨N原子掺杂到γ-GY@TM（M=Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt）催化剂中设计了一系列gra N-γ-GY@TM催化剂,并从热力学和动力学角度详细研究了其稳定性、OER和ORR催化活性、石墨N原子对OER和ORR催化活性的影响以及其本质原因。计算结果表明gra N-γ-GY@TM催化剂在热力学和动力学上都具有较好的稳定性。由于石墨N的掺杂调控了催化剂的电子结构,使得gra N-γ-GY@Rh展现出了优异的双功能OER和ORR催化活性,其OER过电势仅为0.27 V以及ORR过电势仅为0.33 V,远优于贵金属Ru O2（0.43 V）和Pt（0.45V）。此外,石墨N的掺杂显着减小了OER和ORR决速步的活化能垒,从而加快了OER和ORR的动力学过程。（3）对于在一个空位能够负载单个或多个TM原子的GDY基底材料来说,单原子催化剂不一定比单团簇催化剂稳定。我们知道稳定性是优异催化剂的前提。因此,本工作设计了3种新型的单团簇催化剂GDY@TM3（M=Co、Ni、Cu）,并对其稳定性、OER和ORR催化活性以及活性来源进行了详细研究。计算结果证实GDY@TM3要比GDY@TM催化剂更稳定。不过,由于活性位点与吸附中间体之间的吸附太强,GDY@TM3并没有表现出令人满意的OER或ORR性能。然而,当以催化过程中自构的吸附态O*以及OH*（GDY@TM3-O和GDY@TM3-OH）为催化模型时,GDY@Cu3-O和GDY@Ni3-OH表现出优异的ORR性能,其过电势分别为0.43 V和0.40 V,略优于贵金属Pt（0.45 V）。重要的是,GDY@Ni3-O展现出了高效的双功能OER和ORR催化活性,其OER过电势为0.31 V,远优于贵金属Ru O2（0.43 V）;其ORR过电势为0.46 V,与贵金属Pt（0.45 V）相当。这种在催化过程中自构的方法为我们提升催化性能提供了新的见解与指导。
林晓东,孙宗强,徐攀,范镜敏,袁汝明,郑明森,董全峰[9]（2021）在《锂-氧气电池氧电极催化的研究进展》文中认为锂-氧气电池由于具有极高的理论比能量而受到广泛关注,被认为是最具发展前景的下一代高比能二次电池体系.然而,其复杂的反应历程及迟滞的多相反应动力学使其充放电过程的极化严重,造成能量效率低下、倍率性能和循环性能较差等诸多问题,制约了其商业化应用进程.催化是改善反应动力学的关键,因此,氧电极催化剂的设计与开发成为锂-氧气电池的核心问题和研究重点.结合本课题组在这一体系的系统性研究工作,本文综述了近几年来锂-氧气电池氧电极催化的研究进展,分析了各类氧电极催化剂的优缺点,并展望了未来氧电极催化剂的研究方向.
何进忠[10]（2021）在《基于g-C3N4双功能电催化剂的制备及其在锌空电池中的应用研究》文中提出由于能源需求的增长和传统化石燃料的枯竭造成了日益严重的能源危机和环境污染。因此,开发清洁和可再生能源成为一项紧迫的任务。作为一种高效、清洁的发电设备,锌空电池在拥有极高的理论能量密度的同时还具有成本低、安全性高、充放电循环稳定性好等优势,是新一代能源转换器件构建的主要研究方向。锌空电池通过阴极氧气与锌阳极之间的氧化还原反应产生电能。然而,这两个过程所涉及的氧反应动力学过程极为缓慢,严重阻碍了电池的能量转换效率。因此,必须采用高效的双功能电催化剂以降低氧反应过程的活化能,并有效改善电池的能量转换效率。目前,应用于锌空电池的有效催化剂是Pt、Ru和Ir等贵金属基催化剂。但是贵金属的高成本、稀缺性以及较差的稳定性,限制了它们的实际应用。本文制备了以类石墨相氮化碳（g-C3N4）负载过渡金属、镍钴硫以及铜单原子的三种复合纳米催化剂,研究了它们的氧还原、氧析出性能以及在锌空电池中的应用潜力,主要内容如下:（1）通过酸辅助剥离块状g-C3N4并与过渡金属盐（Fe、Co和Ni盐）进行固相热解,合成了一系列过渡金属纳米晶体嵌入g-C3N4纳米片的高效双功能电催化剂（M-CNNs）,可作为一种用于可充电锌空电池的高效电催化剂。研究发现,通过控制乙酰丙酮金属盐与g-C3N4纳米片的质量比,可以优化Fe-CNNs-x、Ni-CNNs-x和Co-CNNs-x复合材料的ORR/OER双功能电催化活性。其中,Co-CNNs-0.7不仅表现出与商用Pt/C催化剂相当的半波电势（0.803 V vs.RHE）,而且具有更大的ORR电流密度。此外,与商用IrO2催化剂（η=460 m V）相比,Co-CNNs-0.7具有更低的OER过电势（η=440 m V）。以Co-CNNs-0.7作为阴极催化剂组装的可充电锌空电池具有较高的功率密度(85.3 m W cm-2)、比容量(675.7 m A hg-1)和1000次循环的稳定性,优于市售Pt/C+IrO2催化剂。（2）通过原位生长、热解和碳化的方法制备了镍钴硫化合物嵌入g-C3N4纳米片的复合材料（Ni Co2S4/CNNs）。原位合成的Ni Co2S4纳米晶被限域在g-C3N4纳米笼中可以形成明确的电子转移异质界面和暴露更多的催化活性位点,从而导致其呈现更高的ORR/OER双功能电催化活性。以Ni Co2S4/CNNs-1催化剂作为阴极催化剂组装的可充电锌空电池具有较高的峰值功率密度(92 m W cm-2)和能量密度(1025 Wh kg-1)。（3）利用离子交换和两步吸附策略构建了原子分散的Cu-N/HPC-second催化剂。在第一个吸附过程中,将Cu离子与Zn离子结合以制备Cu掺杂的ZIF-8前体。Cu-N4活性位点被捕获到ZIF-8中锌节点挥发产生的缺陷位点上,从而有效地抑制了金属原子的迁移和聚集。经过高温Zn蒸发和酸浸以去除多余的Cu纳米粒子后,将衍生的多孔3D碳骨架用作主体,通过引入管状g-C3N4和Cu2+来分散3D碳骨架并进行第二次吸附,待热活化并分解未配位的管状g-C3N4后。得到原子分散的Cu-N/HPC-second催化剂。基于其独特的3D多级孔结构,其比表面积高达872 m2 g-1,且具有更多暴露的催化活性位,与Pt/C催化剂相比,Cu-N/HPC-second催化剂在碱性电解液中呈现出优异的ORR电催化活性和稳定性。基于Cu-N/HPC-second催化剂组装的一次锌空电池具有215.8 mW cm-2的极高功率密度。
二、新型纳米晶双功能氧电极的研究（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、新型纳米晶双功能氧电极的研究（论文提纲范文）
（1）掺杂多孔碳基非贵金属电催化剂的设计及性能调控研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 电化学能量转化装置 |
| 1.2.1 质子交换膜燃料电池简介 |
| 1.2.2 锌-空气电池简介 |
| 1.3 氧还原和析氧反应催化剂研究进展 |
| 1.3.1 氧还原反应机理 |
| 1.3.2 贵金属氧还原催化剂研究进展 |
| 1.3.3 非贵金属氧还原催化剂研究进展 |
| 1.3.4 析氧反应机理 |
| 1.3.5 贵金属析氧催化剂研究进展 |
| 1.3.6 非贵金属析氧催化剂研究进展 |
| 1.3.7 氧电双功能催化剂研究进展 |
| 1.4 本课题的选题意义和主要研究内容 |
| 1.4.1 本课题的选题意义 |
| 1.4.2 本论文的主要研究内容 |
| 第二章 单原子Fe-N-C纳米球作为高效的非贵金属双功能氧电催化剂 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 实验部分 |
| 2.2.1 实验所需药品 |
| 2.2.2 Fe-N-C催化剂的合成 |
| 2.2.3 材料制备和表征所用到的仪器设备 |
| 2.2.4 电化学活性测试方法 |
| 2.3 结果与讨论 |
| 2.3.1 Fe-N-C纳米球材料的合成与结构分析 |
| 2.3.2.Fe-N-C纳米球催化剂的ORR和OER的催化性能分析 |
| 2.3.3 Fe-N-C纳米球催化剂活性位点的探究 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 高效Co-N-C多功能电催化剂用于水分解和氧还原反应 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 实验部分 |
| 3.2.1 实验所需药品 |
| 3.2.2 Co-N-C催化剂的合成 |
| 3.2.3 物理表征仪器和方法 |
| 3.2.4 电化学表征方法 |
| 3.3 结果与讨论 |
| 3.3.1 Co-N-C催化剂的合成与特性分析 |
| 3.3.2 Co-N-C催化剂的水裂解和ORR催化性能分析 |
| 3.3.3 Co-N-C水分解和ORR催化剂活性位点的探究 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 Co@Fe-N-C材料作为锌-空气电池的高效氧还原电催化剂的研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 实验部分 |
| 4.2.1 实验所需药品 |
| 4.2.2 Fe_xCo_yNC催化剂的合成 |
| 4.2.3 物理表征仪器设备 |
| 4.2.4 电化学测试方法 |
| 4.2.5 自制锌-空气电池测试 |
| 4.2.6 密度泛函理论DFT计算方法及其所用软件 |
| 4.3 结果与讨论 |
| 4.3.1 Fe_xCo_yNC催化剂的制备和物理结构特性表征分析 |
| 4.3.2 Fe_xCo_yNC样品的ORR活性和碱性锌-空电池性能分析 |
| 4.3.3 Fe_xCo_yNC催化剂活性来源的理论计算分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 N,S 共掺杂石墨碳包裹Co_9S_8纳米颗粒作为可充放锌-空气电池双功能氧电催化剂 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 实验部分 |
| 5.2.1 实验所需药品 |
| 5.2.2 催化剂的制备 |
| 5.2.3 物理表征仪器设备 |
| 5.2.4 电化学测试方法 |
| 5.2.5 自制锌空气电池测试 |
| 5.2.6 密度泛函理论DFT计算方法及其所用软件 |
| 5.3 结果与讨论 |
| 5.3.1 Co_9S_8@N,S-C催化剂的合成及理化表征分析 |
| 5.3.2 Co_9S_8@N,S-C催化剂电化学活性分析 |
| 5.3.3 Co_9S_8@N,S-C催化剂活性的理论计算分析 |
| 5.4 本章小结 |
| 第六章 无金属N,S共掺杂碳材料作为可充电锌-空气电池高效双功能氧电催化剂 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 实验部分 |
| 6.2.1 实验所需药品 |
| 6.2.2 N、S共掺杂碳的制备 |
| 6.2.3 物理表征仪器和方法 |
| 6.2.4 电化学测量方法 |
| 6.2.5 自制锌空气电池的制作和测试方法 |
| 6.2.6 密度泛函理论计算方法 |
| 6.3 结果与讨论 |
| 6.3.1 NS-C催化剂的合成与结构分析 |
| 6.3.2 ORR、OER和锌-空气电池的电化学性能分析 |
| 6.3.3 DFT计算阐明N、S 共掺杂碳的ORR/OER活性位点 |
| 6.4 本章小结 |
| 第七章 结论与展望 |
| 7.1 结论 |
| 7.2 主要创新点 |
| 7.3 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读学位期间发表论文专利情况 |
（2）过渡金属和非金属碳基氧电极催化剂的制备和性能研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 新型可再生能源装置 |
| 1.2.1 金属-空气电池 |
| 1.2.2 燃料电池 |
| 1.2.3 电解水 |
| 1.3 氧电极电催化机理 |
| 1.3.1 氧还原反应机理 |
| 1.3.2 氧析出反应机理 |
| 1.4 氧电极电催化剂研究进展 |
| 1.4.1 贵金属ORR/OER催化剂 |
| 1.4.2 过渡金属ORR/OER催化剂 |
| 1.4.3 无金属碳基ORR催化剂 |
| 1.5 本论文工作思路及研究内容 |
| 2 实验与表征方法 |
| 2.1 实验试剂与仪器 |
| 2.1.1 实验试剂 |
| 2.1.2 实验仪器 |
| 2.2 催化剂表征与电化学测试 |
| 2.2.1 催化剂表征方法 |
| 2.2.2 电化学测试 |
| 3 FePc-NiFe-LDH/Ti_3C_2的构筑及双功能氧电极性能研究 |
| 3.1 前言 |
| 3.2 FePc-NiFe-LDH/Ti_3C_2催化剂的合成 |
| 3.2.1 Ti_3C_2 MXene的制备 |
| 3.2.2 NiFe-LDH/Ti_3C_2催化剂的制备 |
| 3.2.3 FePc-NiFe-LDH/Ti_3C_2催化剂的制备 |
| 3.3 FePc-NiFe-LDH/Ti_3C_2物性表征 |
| 3.3.1 NiFe-LDH/Ti_3C_2体相结构和表面结构分析 |
| 3.3.2 FePc-NiFe-LDH/Ti_3C_2体相结构和表面结构分析 |
| 3.4 FePc-NiFe-LDH/Ti_3C_2电化学性能 |
| 3.4.1 FePc-NiFe-LDH/Ti_3C_2的ORR催化性能 |
| 3.4.2 FePc-NiFe-LDH/Ti_3C_2的稳定性和抗甲醇性能 |
| 3.4.3 FePc-NiFe-LDH/Ti_3C_2的OER催化性能 |
| 3.5 基于FePc-NiFe-LDH/Ti_3C_2的锌-空电池性能 |
| 3.6 本章小结 |
| 4 FePc-NiCo-LDH/Ti_3C_2的构筑及双功能氧电极性能研究 |
| 4.1 前言 |
| 4.2 FePc-NiCo-LDH/Ti_3C_2催化剂的合成 |
| 4.2.1 NiCo-LDH/Ti_3C_2催化剂的制备 |
| 4.2.2 FePc-NiCo-LDH/Ti_3C_2催化剂的制备 |
| 4.3 FePc-NiCo-LDH/Ti_3C_2物性表征 |
| 4.3.1 FePc-NiCo-LDH/Ti_3C_2体相结构分析 |
| 4.3.2 FePc-NiCo-LDH/Ti_3C_2的表面结构分析 |
| 4.4 FePc-NiCo-LDH/Ti_3C_2电化学性能 |
| 4.4.1 FePc-NiCo-LDH/Ti_3C_2的ORR催化性能 |
| 4.4.2 FePc-NiCo-LDH/Ti_3C_2的稳定性和抗甲醇性能 |
| 4.4.3 FePc-NiCo-LDH/Ti_3C_2的OER活性和稳定性 |
| 4.5 基于FePc-NiCo-LDH/Ti_3C_2的锌-空电池性能 |
| 4.6 本章小结 |
| 5 富含缺陷的三维分级多孔结构N和S共掺杂碳基ORR催化剂的构筑与性能研究 |
| 5.1 前言 |
| 5.2 CNS催化剂的合成 |
| 5.3 CNS催化剂的物性表征 |
| 5.3.1 CNS体相结构分析 |
| 5.3.2 CNS表面结构分析 |
| 5.4 CNS的电化学性能 |
| 5.4.1 CNS的 ORR性能 |
| 5.4.2 CNS的抗甲醇性能和稳定性 |
| 5.4.3 CNS的 DFT理论计算 |
| 5.4.4 基于CNS的锌-空气电池性能 |
| 5.5 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 |
| 致谢 |
（3）MXenes基双功能单原子电催化剂的第一性原理研究（论文提纲范文）
| 前言 |
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 电化学能源转化装置 |
| 1.2.1 燃料电池 |
| 1.2.2 金属-空气电池 |
| 1.3 氧电极反应机理 |
| 1.3.1 氧还原反应机理 |
| 1.3.2 氧析出反应机理 |
| 1.3.3 双功能ORR/OER催化剂 |
| 1.4 过渡金属碳/氮化物(MXenes)的性质及应用 |
| 1.4.1 MXenes材料简介 |
| 1.4.2 MXenes材料作为氧电极反应催化剂的研究进展 |
| 1.5 单原子催化剂 |
| 1.5.1 单原子催化剂简介 |
| 1.5.2 单原子催化剂在氧电极反应中的应用 |
| 1.6 本论文的研究目标与意义 |
| 参考文献 |
| 第二章 理论基础与计算方法 |
| 2.1 密度泛函理论 |
| 2.1.1 Thomas-Fermi模型 |
| 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理 |
| 2.1.3 Kohn—Sham方程 |
| 2.2 交换相关泛函 |
| 2.2.1 局域密度近似(LDA) |
| 2.2.2 广义梯度近似(GGA) |
| 2.3 计算软件包简介 |
| 2.4 电催化剂性能的计算方法 |
| 2.4.1 自由能计算 |
| 2.4.2 过渡态搜索 |
| 参考文献 |
| 第三章 Nb_2CT_x基双功能ORR/OER Pt单原子催化剂的第一性原理研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 计算方法 |
| 3.3 结果与讨论 |
| 3.3.1 纯相的MXenes材料不适合作为ORR或OER催化剂的原因 |
| 3.3.2 重组型单原子催化剂的稳定性和表面电子结构 |
| 3.3.3 重组型单原子催化剂的ORR和OER活性 |
| 3.3.4 Nb_2CF_2-V_F-Pt催化剂具有ORR/OER双效催化活性的本质原因 |
| 3.3.5 Nb_2CF_2-V_F-Pt双功能催化剂中贵金属的利用率 |
| 3.4 本章总结 |
| 参考文献 |
| 第四章 MXenes基双功能Pt单原子催化剂的第一性原理研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 计算方法 |
| 4.3 结果与讨论 |
| 4.3.1 MXenes基单原子催化剂的结构和电子特性 |
| 4.3.2 MXenes基Pt单原子催化剂的ORR/OER反应机制 |
| 4.3.3 MXenes基Pt单原子催化剂表面ORR/OER反应的热力学过程 |
| 4.4 本章结论 |
| 参考文献 |
| 第五章 氧官能团修饰的MXenes基双功能Pt单原子催化剂的第一性原理研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 计算方法 |
| 5.3 结果与讨论 |
| 5.3.1 21型MXenes基Pt单原子催化剂的催化活性 |
| 5.3.2 氧官能团修饰的MXenes基Pt单原子催化剂的设计方案 |
| 5.3.3 氧官能团修饰的MXenes基Pt单原子催化剂的ORR/OER双效催化活性 |
| 5.4 本章结论 |
| 参考文献 |
| 第六章 MXenes基非贵金属双功能ORR/OER单原子催化剂的第一性原理研究 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 计算方法 |
| 6.3 结果与讨论 |
| 6.3.1 筛选单原子催化剂的结构模型 |
| 6.3.2 筛选适用于非贵金属单原子催化剂的MXenes基底材料 |
| 6.3.3 MXenes基非贵金属双功能ORR/OER单原子催化剂的设计 |
| 6.4 本章总结 |
| 参考文献 |
| 第七章 总结与创新性 |
| 7.1 总结 |
| 7.2 创新性 |
| 7.3 展望 |
| 作者简介及攻读博士学位期间所取得的学术成果 |
| 致谢 |
（4）杂原子掺杂碳包覆钴基材料的合成及其在电催化中的应用（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 氧电极反应能源技术 |
| 1.2.1 燃料电池 |
| 1.2.2 金属空气电池 |
| 1.3 氧电极反应理论基础 |
| 1.3.1 氧还原反应机理 |
| 1.3.2 析氧反应机理 |
| 1.3.3 氧还原反应/析氧反应的影响因素 |
| 1.3.4 氧还原反应/析氧反应的性能参数 |
| 1.4 碳基电催化剂 |
| 1.4.1 碳基电催化剂概述 |
| 1.4.2 碳基电催化剂在氧电极反应中的应用 |
| 1.4.3 碳基电催化剂在全水解反应中的应用 |
| 1.4.4 多孔碳基电催化剂的制备方法 |
| 1.5 本论文的选题依据和主要研究内容 |
| 1.5.1 选题依据 |
| 1.5.2 主要研究内容 |
| 第二章 氮掺杂多孔碳包覆钴材料的制备及双功能氧催化反应 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 实验部分 |
| 2.2.1 实验药品 |
| 2.2.2 实验仪器 |
| 2.2.3 催化剂的制备 |
| 2.2.4 电化学测试 |
| 2.3 结果与讨论 |
| 2.3.1 组成和结构表征 |
| 2.3.2 电化学性能 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 氮磷共掺杂碳包覆磷化钴催化剂的制备及电催化析氧和析氢反应 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 实验部分 |
| 3.2.1 实验药品 |
| 3.2.2 实验仪器 |
| 3.2.3 催化剂的制备 |
| 3.2.4 电化学测试 |
| 3.3 结果与讨论 |
| 3.3.1 组成和结构表征 |
| 3.3.2 电化学性能 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 总结与展望 |
| 4.1 本文总结 |
| 4.2 工作展望 |
| 参考文献 |
| 在学期间取得的科研成果和科研情况说明 |
| 致谢 |
（5）二维过渡金属化合物-介孔碳复合材料制备及其电催化性能研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 电化学能源转化与存储 |
| 1.3 氧电极催化反应 |
| 1.3.1 氧还原反应(ORR) |
| 1.3.2 氧析出反应(OER) |
| 1.3.3 氧电极催化剂 |
| 1.4 二维过渡金属化合物 |
| 1.4.1 过渡金属化合物 |
| 1.4.2 二维材料制备 |
| 1.5 碳基复合催化剂 |
| 1.6 本文思路与研究内容 |
| 第二章 实验设备与研究方法 |
| 2.1 实验药品 |
| 2.2 仪器设备 |
| 2.3 材料的表征方法 |
| 2.3.1 X射线衍射分析(XRD) |
| 2.3.2 X射线光电子能谱分析(XPS) |
| 2.3.3 透射电子显微镜(TEM) |
| 2.4 电化学性能测试 |
| 2.4.1 测试条件 |
| 2.4.2 电化学活性测试 |
| 2.4.3 塔菲尔(Tafel)斜率与电化学阻抗谱(EIS) |
| 2.4.4 稳定性测试 |
| 第三章 过渡金属硒化物-介孔碳复合催化材料 |
| 3.1 本章引言 |
| 3.2 制备过程 |
| 3.3 形貌与结构表征 |
| 3.4 电催化性能测试 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 过渡金属磷硫化合物-介孔碳复合催化材料 |
| 4.1 本章引言 |
| 4.2 制备过程 |
| 4.3 结构与形貌表征 |
| 4.4 电催化性能测试 |
| 4.5 本章小结 |
| 第五章 总结与展望 |
| 5.1 总结 |
| 5.2 展望 |
| 5.3 主要创新点 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读期间学术成果 |
（6）基于MOF衍生物的锌空气电池催化剂的性能研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 金属空气电池介绍 |
| 1.2.1 金属空气电池分类 |
| 1.2.2 锌空气电池概况 |
| 1.3 氧电极催化剂介绍 |
| 1.3.1 催化剂的研究现状 |
| 1.3.2 杂原子氮掺杂碳催化剂 |
| 1.3.3 MOFs材料衍生碳催化剂 |
| 1.3.4 MOFs材料衍生金属氧化物催化剂 |
| 1.3.5 过渡金属锰氧化物催化剂 |
| 1.4 本论文的选题意义和研究内容 |
| 1.4.1 选题意义 |
| 1.4.2 研究内容 |
| 1.4.3 技术路线 |
| 第二章 实验部分 |
| 2.1 实验药品及仪器 |
| 2.1.1 本文用到的主要实验药品 |
| 2.1.2 本文用到的主要实验仪器设备 |
| 2.2 材料表征 |
| 2.2.1 X射线衍射(XRD) |
| 2.2.2 扫描电子显微镜(SEM) |
| 2.2.3 X射线光电子能谱(XPS) |
| 2.3 锌空气电池的组装 |
| 2.3.1 液态锌空气电池组装 |
| 2.3.2 固态锌空气电池组装 |
| 2.4 电化学性能评价方式 |
| 2.4.1 催化剂的电化学表征 |
| 2.4.2 锌空气电池性能的电化学表征 |
| 第三章 TiC@N-C催化剂的制备及性能研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 合成方法 |
| 3.2.1 2D-ZIF8 的合成 |
| 3.2.2 立方体ZIF8 的合成 |
| 3.2.3 TiC@N-C的合成 |
| 3.3 TiC@N-C催化剂的物理表征 |
| 3.3.1 催化剂形貌表征 |
| 3.3.2 XRD结果分析与讨论 |
| 3.3.3 XPS结果分析与讨论 |
| 3.4 TiC@N-C催化剂的电化学性能表征 |
| 3.4.1 催化性能测试结果与分析 |
| 3.4.2 催化剂的电池性能测试与分析 |
| 3.5 小结 |
| 第四章 MnO@Cu-N-C双功能催化剂的制备及性能研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 合成方法 |
| 4.2.1 MnO_2纳米棒的合成 |
| 4.2.2 MnO@Cu-N-C的合成 |
| 4.3 氧电极及柔性电解质制备工艺的研究 |
| 4.3.1 氧电极的制备 |
| 4.3.2 柔性锌空气电池的制备 |
| 4.4 MnO@Cu-N-C催化剂的物理表征 |
| 4.4.1 催化剂形貌表征 |
| 4.4.2 XRD结果分析与讨论 |
| 4.4.3 XPS结果分析与讨论 |
| 4.5 MnO@Cu-N-C催化剂的电化学表征 |
| 4.5.1 催化性能测试结果与分析 |
| 4.5.2 催化剂的电池性能测试与分析 |
| 4.6 小结 |
| 第五章 结论与展望 |
| 5.1 结论 |
| 5.2 展望 |
| 参考文献 |
| 发表论文和参加科研情况 |
| 致谢 |
（7）掺杂碳基耦合氧电极材料的制备及性能研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 可充电锌空电池 |
| 1.2.1 锌空电池的结构 |
| 1.2.2 锌空电池的工作原理 |
| 1.3 电催化机理及氧电极催化材料 |
| 1.3.1 电催化氧还原(ORR)机理 |
| 1.3.2 电催化氧析出(OER)机理 |
| 1.3.3 氧电极催化材料的研究现状 |
| 1.4 论文课题的选择和研究内容 |
| 参考文献 |
| 第2章 氟化钇掺杂的含氮碳作为氧电极材料应用于锌空电池 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 实验部分 |
| 2.2.1 试剂与仪器 |
| 2.2.2 催化剂的制备 |
| 2.2.3 催化剂的结构表征 |
| 2.2.4 催化剂的性能测试 |
| 2.2.5 锌空电池的测试 |
| 2.3 结果与讨论 |
| 2.3.1 物理表征 |
| 2.3.2 催化剂电化学性能测试 |
| 2.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第3章 CoS_2与多孔FeNC强耦合作为可充电锌空电池的高效双功能催化剂 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 实验部分 |
| 3.2.1 试剂与仪器 |
| 3.2.2 催化剂的制备 |
| 3.2.3 催化剂的结构表征 |
| 3.2.4 催化剂的性能测试 |
| 3.2.5 锌空充电池的测试 |
| 3.3 结果与讨论 |
| 3.3.1 物理表征 |
| 3.3.2 催化剂电化学性能测试 |
| 3.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第4章 ZIF衍生掺杂碳材料耦合NiCo_2O_4作为氧电极材料应用于可穿戴锌空电池 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 实验部分 |
| 4.2.1 试剂与仪器 |
| 4.2.2 催化剂的制备 |
| 4.2.3 催化剂的结构表征 |
| 4.2.4 催化剂的性能测试 |
| 4.2.5 锌空电池的测试 |
| 4.3 结果与讨论 |
| 4.3.1 物理表征 |
| 4.3.2 催化剂电化学性能测试 |
| 4.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第5章 结论与展望 |
| 5.1 结论 |
| 5.2 展望 |
| 致谢 |
| 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果 |
（8）石墨炔负载过渡金属原子催化氧电极反应的理论研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 氧电极反应机理 |
| 1.2.1 析氧反应机理 |
| 1.2.2 氧还原反应机理 |
| 1.2.3 析氧和氧还原催化活性的评判标准 |
| 1.3 双功能氧电极反应电催化剂的研究现状 |
| 1.3.1 贵金属基催化剂 |
| 1.3.2 非贵过渡金属基催化剂 |
| 1.3.3 碳基催化剂 |
| 1.4 石墨炔在电催化中的应用 |
| 1.4.1 GDY在电催化中的应用 |
| 1.4.2 γ-GY在电催化中的应用 |
| 1.6 本论文的研究内容和意义 |
| 第二章 理论基础与研究方法 |
| 2.1 量子力学基础 |
| 2.1.1 薛定谔方程 |
| 2.1.2 Born-Oppenheimer近似 |
| 2.1.3 Hartree-Fock近似 |
| 2.2 密度泛函理论 |
| 2.2.1 Thomas-Fermi模型 |
| 2.2.2 Hohenberg-Kohn定理 |
| 2.2.3 Kohn-Sham方程 |
| 2.2.4 交换相关泛函 |
| 2.3 本论文所使用的软件 |
| 第三章 γ-石墨炔负载过渡金属原子作为析氧和氧还原反应电催化剂的理论研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 计算方法 |
| 3.3 结果与讨论 |
| 3.3.1 γ-GY@TM的几何结构和稳定性 |
| 3.3.2 γ-GY@M的 OER和 ORR催化性能 |
| 3.3.3 γ-GY@Rh高效OER活性的来源 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 石墨N掺杂的γ-石墨炔负载过渡金属原子作为析氧和氧还原反应电催化剂的理论研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 计算方法 |
| 4.3 结果与讨论 |
| 4.3.1 gra N-γ-GY@TM的几何结构和稳定性 |
| 4.3.2 gra N-γ-GY@TM的 OER和 ORR性能 |
| 4.3.3 石墨N的电子调控 |
| 4.3.4 火山图曲线 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 石墨二炔负载过渡金属原子作为析氧和氧还原反应电催化剂的理论研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 计算方法 |
| 5.3 结果与讨论 |
| 5.3.1 GDY@TM_3的稳定性和催化性能 |
| 5.3.2 GDY@TM_3-O和 GDY@TM_3-OH的催化性能 |
| 5.3.3 优异催化活性的来源 |
| 5.4 本章小结 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 总结 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 硕士期间已发表的论文 |
（9）锂-氧气电池氧电极催化的研究进展（论文提纲范文）
| 1 固相催化剂 |
| 1.1 碳材料催化剂 |
| 1.2 贵金属基催化剂 |
| 1.3 非贵金属基催化剂 |
| 1.4 复合材料催化剂 |
| 2 液相催化剂 |
| 3 总结与展望 |
（10）基于g-C3N4双功能电催化剂的制备及其在锌空电池中的应用研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 锌空电池简介 |
| 1.2.1 锌空电池的分类 |
| 1.2.2 锌空电池的结构 |
| 1.2.3 锌空电池的工作原理 |
| 1.3 锌空电池的阴极电催化反应 |
| 1.3.1 ORR催化机理 |
| 1.3.2 OER催化机理 |
| 1.3.3 双功能电催化剂的研究进展 |
| 1.4 石墨相氮化碳 |
| 1.4.1 石墨相氮化碳简介 |
| 1.4.2 石墨相氮化碳的制备 |
| 1.4.3 石墨相氮化碳的改性 |
| 1.5 论文选题思路和研究内容 |
| 第2章 实验部分 |
| 2.1 实验试剂与仪器 |
| 2.1.1 实验试剂 |
| 2.1.2 实验仪器 |
| 2.2 形貌及结构表征 |
| 2.3 电化学性能测试 |
| 2.4 锌空电池的组装与测试 |
| 第3章 过渡金属/碳氮纳米片复合材料的制备及氧电催化性能研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 实验过程 |
| 3.2.1 本体g-C_3N_4和g-C_3N_4纳米片的制备 |
| 3.2.2 过渡金属/碳氮纳米片复合材料的制备 |
| 3.3 结果分析与讨论 |
| 3.3.1 催化剂形貌及结构表征 |
| 3.3.2 ORR和 OER电催化性能分析 |
| 3.3.3 基于过渡金属/碳氮纳米片复合催化剂的锌空电池性能测试 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 镍钴硫/碳氮纳米片复合材料的制备及氧电极催化性能研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 实验过程 |
| 4.2.1 镍钴硫/碳氮纳米片复合材料的制备 |
| 4.3 结果分析与讨论 |
| 4.3.1 催化剂形貌及结构表征 |
| 4.3.2 ORR和 OER电催化性能分析 |
| 4.3.3 基于镍钴硫/碳氮纳米片复合催化剂的锌空电池性能测试 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 单原子Cu和氮共掺杂多级孔碳复合材料的制备及氧电极催化性能研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 实验过程 |
| 5.2.1 管状g-C_3N_4的制备 |
| 5.2.2 单原子Cu和氮共掺杂多级孔碳复合材料的制备 |
| 5.3 结果分析与讨论 |
| 5.3.1 催化剂形貌及结构表征 |
| 5.3.2 ORR电催化性能分析 |
| 5.3.3 基于单原子Cu和氮共掺杂多级孔碳催化剂的锌空电池性能测试 |
| 5.4 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 |
四、新型纳米晶双功能氧电极的研究（论文参考文献）
- [1]掺杂多孔碳基非贵金属电催化剂的设计及性能调控研究[D]. 吕丹丹. 广西大学, 2021(01)
- [2]过渡金属和非金属碳基氧电极催化剂的制备和性能研究[D]. 曹硕. 大连理工大学, 2021(01)
- [3]MXenes基双功能单原子电催化剂的第一性原理研究[D]. 阚东晓. 吉林大学, 2021(01)
- [4]杂原子掺杂碳包覆钴基材料的合成及其在电催化中的应用[D]. 王德鹏. 天津理工大学, 2021(08)
- [5]二维过渡金属化合物-介孔碳复合材料制备及其电催化性能研究[D]. 许煜阳. 北京邮电大学, 2021(01)
- [6]基于MOF衍生物的锌空气电池催化剂的性能研究[D]. 王天宇. 天津工业大学, 2021(01)
- [7]掺杂碳基耦合氧电极材料的制备及性能研究[D]. 米亚军. 西北师范大学, 2021(12)
- [8]石墨炔负载过渡金属原子催化氧电极反应的理论研究[D]. 覃尤成. 西南大学, 2021(01)
- [9]锂-氧气电池氧电极催化的研究进展[J]. 林晓东,孙宗强,徐攀,范镜敏,袁汝明,郑明森,董全峰. 厦门大学学报(自然科学版), 2021(02)
- [10]基于g-C3N4双功能电催化剂的制备及其在锌空电池中的应用研究[D]. 何进忠. 兰州理工大学, 2021(01)