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NiFe/碳复合催化剂的制备及其锌空气电池应用研究

1.引言

1.1研究背景及意义

随着全球能源需求的不断增长，开发高效、环保的能源转换与存储技术显得尤为重要。其中，锌空气电池因其高能量密度、低成本和环境友好等优势，被认为是一种理想的绿色能源技术。然而，锌空气电池的性能在很大程度上取决于其正极催化剂的活性和稳定性。目前，传统的贵金属催化剂如铂、铱等虽然具有较高的催化活性，但价格昂贵、资源稀缺，限制了锌空气电池的广泛应用。

NiFe基催化剂作为一种非贵金属催化剂，因其良好的催化活性和较低的成本而受到广泛关注。本文旨在研究NiFe/碳复合催化剂的制备及其在锌空气电池中的应用，以期为提高锌空气电池性能、降低成本提供理论依据和技术支持。

1.2文献综述

近年来，国内外研究者对NiFe基催化剂的制备及其在锌空气电池中的应用进行了大量研究。在制备方法上，主要包括化学气相沉积、水热/溶剂热合成、电沉积等。在碳材料的选择上，活性炭、碳纳米管、石墨烯等碳材料因其高比表面积和优异的导电性而被广泛应用。

研究表明，NiFe基催化剂的活性和稳定性与其制备方法、组成、结构等因素密切相关。通过优化这些因素，可以进一步提高NiFe基催化剂的催化性能。在锌空气电池应用方面，NiFe基催化剂表现出良好的氧还原和氧析出性能，有效提高了电池的功率密度和循环稳定性。

1.3研究目的与内容

本文旨在研究NiFe/碳复合催化剂的制备方法，优化其结构与性能，并探讨其在锌空气电池中的应用。具体研究内容包括：

制备不同方法、不同碳材料的NiFe/碳复合催化剂，研究其结构与性能关系；

对制备的NiFe/碳复合催化剂进行结构与性能表征，分析其催化活性；

将优化的NiFe/碳复合催化剂应用于锌空气电池，研究其电化学性能；

分析NiFe/碳复合催化剂在锌空气电池中的活性及稳定性，为锌空气电池的进一步发展提供理论支持。

2.NiFe/碳复合催化剂的制备

2.1制备方法与实验过程

NiFe/碳复合催化剂的制备主要采用水热合成法，并结合后续的热处理工艺以优化其结构与性能。具体的实验过程如下：

首先，将一定比例的醋酸铁和醋酸镍溶于去离子水中，然后加入适量的柠檬酸作为碳源和还原剂，搅拌至完全溶解。接着，向溶液中加入适量的氨水，调节溶液的pH值，以促进金属离子的均匀沉淀。在搅拌条件下，缓慢加入活性炭，使其均匀分散在溶液中。

随后，将混合溶液转移至水热反应釜中，在180℃下反应6小时。反应结束后，自然冷却至室温，取出反应产物并用去离子水和乙醇交替洗涤，以去除表面附着的杂质。将洗涤后的产物在60℃下干燥12小时，得到NiFe/碳复合催化剂的前驱体。

为了得到具有高活性的催化剂，将前驱体在氮气保护下进行热处理。热处理过程分为两个阶段：首先在200℃下预处理2小时，然后在500℃下煅烧4小时。通过这一过程，可以有效地去除有机物，促进金属纳米粒子与碳载体之间的相互作用。

2.2结构与性能表征

2.2.1结构表征

结构表征采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线能谱分析（EDS）等技术。XRD结果显示，NiFe/碳复合催化剂具有较高的结晶度，且金属粒子主要以面心立方结构存在。SEM和TEM观察发现，金属纳米粒子均匀地分布在碳载体表面，粒径约为20-50纳米。EDS元素分析进一步证实了Ni、Fe和C元素在复合催化剂中的均匀分布。

2.2.2性能表征

性能表征主要包括电化学性能测试和氧还原反应（ORR）活性测试。电化学性能测试采用循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）。CV测试结果显示，NiFe/碳复合催化剂具有较高的比电容和良好的电化学稳定性。EIS谱图表明，复合催化剂具有较低的电阻和较好的电荷传递性能。

ORR活性测试通过旋转圆盘电极（RDE）技术进行，结果表明，NiFe/碳复合催化剂表现出优异的ORR活性，起始电位和半波电位较基准Pt/C催化剂更为优越。此外，通过计时电流法评估了催化剂的稳定性，发现NiFe/碳复合催化剂在长时间连续测试中仍保持较高的活性。

3.NiFe/碳复合催化剂的锌空气电池应用

3.1锌空气电池的原理与结构

锌空气电池是一种以锌为负极，空气中的氧气为正极的高能量密度电池。其工作原理基于电化学反应，在放电过程中，锌在负极失去电子生成锌离子，同时在正极，空气中的氧气与电子结合生成水。这一过程涉及到氧气的还原反应，需要高效的催化剂来提高反应速率。

锌空气电池的结构主要包括四个部分：锌负极、电解质、空气正极和隔膜。电解质通常采用碱性溶液，如氢氧化钾溶液，以保证电池的良好导电性。空气正极上涂覆有催化剂层，以促进氧气的还原反应。

3.2NiFe/碳复合催化剂在锌空气电池中的应用

3.2.1电池性能测试

在锌空气电池中，Ni