作者：2016级 刘嘉宁 化学工程系
指导老师：张强 化学工程系
关键词：锌-空气电池 双功能催化 界面合成
摘要
氧还原（ORR）和氧析出（OER）反应是锌-空气电池的关键反应，开发廉价而性能优异的ORR/OER双功能催化剂迫在眉睫。然而当前，这两类反应由于动力学过程缓慢、反应活性位点不同，严重制约了锌-空气电池的能量转化效率。金属-卟啉单元具有较高ORR催化活性，而四氧化三钴（Co3O4）具有较高OER催化活性。本课题通过界面合成的方式，原位复合卟啉有机骨架和Co3O4，构筑复合双功能催化剂，以实现OER/ORR性能的提高，进而改善锌-空气电池的循环性能、功率密度、倍率性能等。
项目背景
传统化石能源的枯竭及其造成的环境污染问题产生了对清洁可持续能源的大量需求，但天然能源的不稳定性限制了其开发研究，故新型的规模储能体系极为关键。锌-空气电池由于其储能成本低、安全性高、环境友好、高功率密度等特点在规模储能体系中体现出了独特的优势，其正极反应为氧析出和氧还原反应，即在电化学的条件下水氧化为氧气和氧气还原为水的过程。氧析出和氧还原反应的动力学十分缓慢，需要在较高的过电位下才能进行，极大的限制了电池的实际性能。因此，开发高性能的氧析出和氧还原双功能催化剂是实现锌-空气电池实际应用的关键问题。
衡量氧析出和氧还原双功能催化活性的指标为氧析出在电流密度为10 mA cm-2条件下的电位与氧还原半波电位之差。基于贵金属的双功能催化剂是目前报道的性能最高的催化体系，然而，贵金属催化剂价格昂贵、来源匮乏、稳定性较差，难以实现大规模制备与应用。因此，开发基于非贵金属的氧析出和氧还原反应双功能催化剂尤为重要。
项目设计
尖晶石型金属氧化物由可调节的二价、三价离子和氧负离子组成。前人工作表明，含Co的尖晶石型金属氧化物具有很好地降低氧析出反应过电位的活性。然而，无机氧化物本身的结构存在一定的缺陷，由于过密堆积导致活性位点暴露不足、导电性较差等原因，致使其氧析出反应催化活性达不到理想预期。
卟啉有机骨架材料为以卟啉为构筑节点，通过共价键的连接以热力学可逆聚合的方式在二维方向上延展成的片状材料。前期研究发现，通过卟啉小分子与Co的配位，可以有效提高卟啉单元的ORR催化活性。因此可以预期，采用卟啉为构筑节点的卟啉有机骨架材料在理论上有望具有很好的ORR催化活性。
项目成果
本项目以钴配位的卟啉有机骨架材料为模板，调节四氧化三钴在纳米尺度上的形核，从而构建复合体系（PCC体系, Porphyrin-Co3O4 Composite体系），通过此界面合成方式得到的双功能催化剂，稳定性高、性能较贵金属催化剂优越，进一步将其引入锌-空气电池体系（以锌-空气电池为实验体系），可有效改善正极侧的三相界面稳定性不足、动力学缓慢等问题，能够实现长循环稳定，并具有优越的倍率性能和较高的功率密度。
