过渡金属硫化物/碳复合材料的制备及电催化性能的研究开题报告

全文总字数：5466字

1. 研究目的与意义（文献综述）

能源和环境是人类赖以生存的基础，是整个社会可持续发展的最基本动力。近几百年来，煤、石油、天然气等不可再生能源不断被开采消耗，日渐枯竭，随之而来的温室效应等环境问题正严重威胁着全球生态。人们迫切地期待着一种清洁而高效的能源的出现，因此可再生能源的开发利用和寻找替代性新能源引发世界各国的重点关注。

目前有大量的研究和工作致力于开发性能更高、更清洁的新能源技术。在所有的研究工作之中，具有高效、无污染等优点的燃料电池，格外引人注目。在这之中，一体式再生燃料电池（unitized regenerativefuel cell system，urfcs）是一种有长远前景的能够不间断供能的能源储存系统，可以将电解池（水裂解成为氢和氧）和燃料原电池（储存的氢和氧重新结合生成水并放出电能）组合在同一个系统中^[1]。特别是，以空气作为正极活性物质和以金属作为负极活性物质的金属空气电池具有能量密度高、原材料丰富和无污染等优点。在金属空气电池充放电的过程中，实际发生的是电池阴极氧气还原反应（oxygen reductionreaction，orr）和电池阳极氧析出反应（oxygen evolution reaction，oer），因此，研究orr/oer反应过程中电子转移及降低反应能垒对于电池研究具有至关重要的影响^[2]。

根据大量的文献报道^[3,4,5]，在以金属硫化物材料为催化剂的燃料电池阴极氧气还原反应中，氧气通过两个途径还原：一是通过4电子途径产生氢氧根，而另一个通过2电子途径产生过氧化氢。其反应途径由氧气的吸附类型决定，当氧气的吸附类型为双齿吸附时（两个o原子与金属原子相连），反应为4电子过程；而当氧气的吸附类型为端点吸附时（一个o原子垂直于金属原子），其反应为2电子过程^[6]。因此，多电子转移的氧还原反应是该过程的决速步骤。碱性条件下氧还原4电子反应过程：

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：过渡金属硫化物/碳复合材料的制备：采用co(no3)3·6h2o为钴源、硫脲为硫源、聚苯胺为碳源和氮源，采用一步碳化法制备过渡金属硫化物/碳复合材料。

材料表征：进行结构表征和电化学性能测试，通过xrd、n₂吸/脱附、tem、sem、xps、拉曼等表征手段对其结构进行了分析，并采用循环伏安(cv)、线性扫描伏安法（lsv）等电化学测试技术对其性能进行了系统评估。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅不少于15篇相关文献资料，其中近5年英文文献不少于3篇，了解国 内外相关研究概况和发展趋势，了解选题对社会、健康、安全、成本以及环境等的影响，完成开题报告；

第4－8周：按照设计方案，研究一步碳化法制备过渡金属硫化物/碳复合材料阴极催化剂的工艺，并找到合成过渡金属硫化物/碳复合材料的最佳碳化温度和碳化时间；

第9－15周：探究最佳条件下合成的过渡金属硫化物/碳复合材料阴极催化剂对orr/oer的催化性能的影响，将最优条件下的催化剂组装成锌空电池并研究其性能；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] sasikala, ramya,dhathathreyan, et al. bifunctional electrocatalyst for oxygen/airelectrodes[j]. energy conversion management, 2014, 77(1):545-549.

[2] 胡陈诚, 硫化钴/氮、硫共掺杂碳基双功能氧电催化剂的结构构筑及性能研究[d]. 华中科技大学, 2018.

[3] lee d u , xu p , cano z, et al. recent progress and perspective on bi-functional oxygenelectrocatalysts for advanced rechargeable metal-air batteries[j]. journal ofmaterials chemistry a, 2016, 4(19):7107-7134.