金属/空气二次电池双功能电极用杂环类石墨材料的研究

To develop high-performance metal/air secondary batteries (MASBs), development of bi-functional air electrode with electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) become one of most important effect. Most traditional air electrodes are expensive and with low oxidation stability, poor catalytic activity, which limited the applications of MASBs. Herein, an advanced heterocyclic graphene nanohybrids (HGNs) are developing as electrode of MASBs trhough the following protocols: firstly, heterocycles with electrical with-drawling effects are introduced into the conjugated systems by high temperature co-doping method, which are expecting to improve the oxidation stability and conductivity; then, various catalytical active metals are combinate to increase the active sites on HGNs and speed-up ORR and OER; finally, through computer simulation, the synergism effect and mechanism of nanohybrids on catalyzing OER and ORR are further studied. Therefore, the bifunctional air electrodes here are expecting to combine the high catalytic activity of transition metal and great conductivity and oxidation stability of DGN, which would be potentially applied in high-performance metal/air secondary batteries.

为开发高性能金属/空气二次电池，制备同时具有电催化氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的双功能空气电极成为关键。传统空气电极材料价格昂贵、氧化安定性和双功能催化活性较差，进而限制了金属/空气二次电池的发展。因此，本项目拟设计高性能杂化类石墨烯基材料（HGNs），用于制备高性能双功能空气电极：首先通过高温共掺杂法将电负性高的原子引入的共轭体系，得到氧化安定性和导电性高的HGNs；然后，配位络合多种不同的过渡金属（锰，铁，镍，铜等），材料中引入单分散催化活性位点加速ORR和OER反应；最后，通过计算机模拟辅助，研究HGNs基电极材料各组分间的协同作用及其电催化ORR和OER的机理。本项目制备的双功能空气电极结合了过渡金属高催化活性和DGN导电性好、氧化安定性高等优势，为高性能金属/空气二次电池的应用打下基础。

随着人类对化石能源的需求逐渐增加，随之而来的环境问题也极大地制约着社会的可持续发展。因此，发展清洁、高效的替代性能源，建立起可持续能源发展体系是现代社会首先要解决的问题。金属-空气电池由于其较高的比能量密度和较低的价格成本有望成为下一代清洁化学能源来源。近年研究发现，锌-空气电池的效率与性能主要受到空气电极的反应动力学限制。目前，通常使用商业化贵金属，如Pt/C，RuO2等，普遍存在着价格高昂和储藏量较低等问题。因此，研究发展廉价金属催化剂，非金属空气电极催化剂对金属-空气电池的广泛应用具有重要的意义。.本项目通过调控MOF材料的有机配体，探究有机配体对MOF前驱体的形貌结构的影响，并且探究了新配体在煅烧过程中的作用。首次提出通过增加有机配体改性ZIF-8前驱体，并进而改变内部键价结构。新配体在煅烧过程中，不仅增加了原有掺杂原子含量，并增添了新的掺杂原子，改变微观碳层结构增加活性。随后，本项目制备了新型COF@CNT复合材料，通过结合了COF材料的新型结构、多活性位点与碳纳米管的高导电性，以及吡啶氮、石墨氮与P-C键的协同作用，提高材料整体的电催化活性。最后，本项目制备了一种自支撑二维无定形结构硼酸铁催化剂。进一步利用材料自支撑、多功能催化的优势，创造性地构筑了“自供电-电解水”的能源转化与利用形式。.项目执行期间已发表SCI一区论文15篇；已申请并授权发明专利10项。参加国内国际学术会议十余次，培养研究生7名。目前承担国家自然基金项目3项，山东省重大基础研究项目1项，以及其它纵向项目十余项。获得的荣誉称号和奖励方面，以第一位次2020年获中国化工学会技术发明奖二等奖1项，2018年荣获中国石油和化学工业技术发明二等奖1项。2020年获山东省自然科学基金“杰出青年基金”，2019年获山东省“泰山学者”青年专家。