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铁钴双金属氧电极双效催化剂:制备优化及锌空电池应用的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展和人口的持续增长,能源需求与日俱增。英国能源协会发布的《世界能源统计年鉴(2024年)》显示,2023年全球能源消费量达到619.63艾焦,同比增长2%,且这一增长趋势预计在未来仍将持续。在能源消费结构中,尽管可再生能源的消费增长迅速,但其占比仍相对较低,化石燃料依然占据主导地位,2023年占比达81.5%。然而,化石燃料的大量使用不仅带来了环境污染问题,如温室气体排放增加,导致全球气候变暖,还引发了能源安全问题,因为其储量有限且分布不均。因此,开发清洁、高效、可持续的能源存储和转换技术迫在眉睫。

在众多新型能源技术中,锌空电池因其独特的优势而备受关注。锌空电池以空气中的氧气为正极活性物质,金属锌为负极活性物质,具有高能量密度、低成本、环境友好等显著优点。其理论能量密度可达1090mAh/g,远高于传统的锂离子电池和铅酸电池,这使得它在电动汽车、便携式电子设备和大规模储能系统等领域具有广阔的应用前景。例如,在电动汽车领域,使用锌空电池作为动力源,可显著提高车辆的续航里程,降低充电频率,同时减少对环境的污染。

然而,锌空电池的实际应用受到其电极反应动力学缓慢的限制,尤其是氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)。这两个反应的速率决定了锌空电池的充放电性能、能量效率和循环寿命。为了加速这两个反应,需要使用高效的催化剂。目前,常用的催化剂主要包括贵金属催化剂(如铂、银等)和过渡金属催化剂(如镍、钴等)。贵金属催化剂虽然具有较高的催化活性,但由于其储量稀少、价格昂贵,限制了锌空电池的大规模商业化应用。因此,开发低成本、高性能的非贵金属催化剂成为锌空电池领域的研究热点。

铁钴双金属氧电极双效催化剂作为一种新型的非贵金属催化剂,具有独特的优势。铁和钴元素在地壳中储量丰富,价格相对较低,这使得铁钴双金属氧电极双效催化剂在成本上具有明显的竞争力。此外,铁和钴的协同作用可以调节催化剂的电子结构和表面性质,从而提高其对ORR和OER的催化活性。研究表明,通过合理设计和制备铁钴双金属氧电极双效催化剂,可以显著提高锌空电池的性能,为其大规模应用提供可能。因此,对铁钴双金属氧电极双效催化剂的制备及其在锌空电池中的应用研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

在铁钴双金属氧电极双效催化剂的制备方面,国内外研究人员已经开展了大量工作,并取得了一定进展。化学法是常用的制备方法之一,包括溶胶凝胶法、共沉淀法、水热法等。溶胶凝胶法通过金属醇盐或无机盐的水解和缩合反应,形成均匀的溶胶,再经过凝胶化和热处理,得到具有纳米级颗粒的铁钴双金属氧化物催化剂,这种方法能够精确控制催化剂的组成和结构,从而提高其催化性能。共沉淀法则是将铁盐和钴盐的混合溶液与沉淀剂反应,使铁钴离子同时沉淀,经过洗涤、干燥和煅烧等步骤制备出催化剂,该方法操作相对简便,适合大规模制备。水热法是在高温高压的水溶液中进行化学反应,通过控制反应条件,可以制备出具有特定形貌和结构的催化剂,如纳米线、纳米片等,这些特殊形貌能够增加催化剂的比表面积和活性位点,进而提高催化活性。

在催化剂性能研究方面,国内外学者重点关注其对氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的催化活性。研究发现,铁钴双金属氧化物的催化活性与多种因素有关。催化剂的组成比例对其活性有显著影响,不同的铁钴比例会导致催化剂电子结构和晶体结构的变化,从而影响其对ORR和OER的催化性能。例如,适当增加钴的含量可以增强催化剂对ORR的活性,但过高的钴含量可能会导致OER活性降低。催化剂的微观结构,如形貌、粒径和孔隙结构等,也会影响其活性。具有纳米级尺寸和多孔结构的催化剂,能够提供更多的活性位点,有利于反应物和产物的扩散,从而提高催化活性。

在锌空电池应用方面,研究人员将铁钴双金属氧电极双效催化剂应用于锌空电池的正极,以提高电池性能。实验结果表明,使用该催化剂可以有效降低锌空电池的过电位,提高电池的充放电效率和能量密度。在充放电过程中,催化剂能够加速ORR和OER的进行,使电池反应更加顺利,减少能量损失。然而,目前铁钴双金属氧电极双效催化剂在锌空电池中的应用仍面临一些挑战。催化剂在长期充放电过程中的稳定性有待提高,随着循环次数的增加,催化剂的活性可能会逐渐下降,导致电池性能衰退。催化剂的导电性相对较差,这会增加电池的内阻,影响电池的功率输出。此外,如何实现催化剂的大规模制备和低成本化,也是实际应用中需要解决的关键问题。

1.3研究目的与内容

本研究旨在制备高性能的铁钴双金属氧电极双效催化剂,并将其应用于锌空电池中,以提高锌空电池的性能,推动其在能源领域的实

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