答辩博士：孟晓茹
指导老师：方真教授
论文题目：合成纤维素基炭电极材料及其电性能研究用于锌空电池
答辩委员会：
主席：
鲁植雄教授/博导 南京农业大学
委员：
陈坤杰教授/博导 南京农业大学
何春霞教授/博导 南京农业大学
金宏教授/博导 南京农业大学
周俊教授/博导 南京工业大学
黄勇教授/博导 南京林业大学
秘书：
陈林南京农业大学
答辩时间：2026年5月19日8点00
答辩地点：滨江校区工学院B441会议室
论文简介：
废弃生物质的高值化能源利用是应对可再生能源间歇性与波动性的重要途径之一。以农林废弃物、纤维素及甲壳素等廉价易得的生物质为原料，制备功能性生物炭材料，不仅有助于减轻环境负担，也为电化学储能与催化转化提供了可持续的碳基平台。针对锌空气电池（ZABs）正极氧还原（ORR）与氧析出（OER）反应动力学迟缓的关键问题，开发基于废弃生物质衍生的高效、低成本非贵金属电催化剂，成为提升供电可靠性、推动绿色能源循环的重要方向。由于ORR和OER同时也是电解水、燃料电池等能源转换装置的核心反应，设计兼具双功能甚至三功能的催化剂具有广泛的应用前景。本研究以气体参与的电催化反应机理为指导，具体是以废弃生物质（如纤维素、秸秆及其类似物）为原料，设计并制备了一系列高性能、低成本的生物炭基电催化剂，旨在突破ZABs及电解水体系中的催化限制，实现从“废弃物”到“能源器件”的资源化升级。这项工作不仅为非贵金属催化剂的理性设计与应用拓展提供了理论支撑，也为推动废弃生物质基碳材料在电化学储能与转化装置中的规模化应用奠定了科学基础。具体研究内容如下：
（1）基于再生纤维素-聚丙烯腈（Polyacrylonitrile, PAN）共混体系的Fe-N-PC氧还原催化剂制备与调控
针对天然纤维素基炭材料结构不均、导电性差的问题，以再生纤维素为炭前驱体，通过引入PAN共混构筑连续导电网络，结合氯化锌溶液调控纤维素结构，经碳化与改性处理制备Fe-N-PC氧还原催化剂。系统考察PAN引入量及碳化工艺对材料元素组成、形貌结构及氧还原催化性能的影响，综合运用XRD、SEM、XPS、氮气等温吸脱附及电化学阻抗谱（Electrochemical impedance spectroscopy, EIS）等表征手段，揭示PAN对材料多孔结构与电子传输性能的调控机制，阐明结构-性能间的构效关系。
（2）Fe-N掺杂碳层修饰的纤维素基生物炭氧还原催化剂的可控制备与界面协同机制
在纤维素基整体炭骨架基础上，进一步开展表面界面工程研究。以从大豆秸秆中提取的纤维素为原料，利用溶剂热处理法，基于甲酰胺与铁盐的配位作用制备金属氮碳前驱体，在纤维素基生物炭表面构建含铁/氮化铁（Fe/Fe3N）活性位点的氮掺杂碳层。结合多尺度表征、电化学测试及DFT计算，深入探究氮掺杂碳层与生物炭基底界面的协同作用机制，阐明铁氮活性位点的形成路径与电子结构演变规律，建立界面结构设计与催化性能之间的内在关联。
（3）具有多级孔结构的FeMo双金属异质结N掺杂碳基催化剂的可控制备与构效关系
在表面界面工程的基础上，进一步引入异质结构设计以提升双功能催化活性。通过调控前驱体中三氯化铁与五氯化钼的摩尔比例，在高温热解过程中实现纳米花状中空纳米管的可控自生长，原位合成由分散均匀的Mo2C-Fe3N异质结活性位点和高导电氮掺杂碳网络构成的具有多级孔结构的Mo2C-Fe3N@NCF催化剂。结合多尺度表征、电化学测试及DFT计算，系统研究材料多级孔结构与Fe-Mo异质结协同作用对ORR与OER性能的影响机制，揭示活性位点构型与催化活性间的构效关系，为生物炭基异质结催化剂在RZABs中的结构化设计提供理论依据。
（4）基于海藻酸钠-甲壳素体系的NiFe-LDH/FeMo-NC三功能催化剂的原位构建与性能研究
基于上述从“整体掺杂”到“表面负载”再到“异质结构”的策略演进，进一步采用层层构建的思想，以纤维素类似物甲壳素和海藻酸钠为原料，结合金属盐（三氯化铁、五氯化钼），经冷冻干燥-热解制备含铁钼金属-氮配位作用的高含氮碳基材料（FeMo-NC），并通过水热法在其表面原位生长镍铁层状双氢氧化物（NiFe-LDH）。系统调控水热生长时间，综合运用XRD、SEM、TEM、XPS等表征手段及电化学测试，研究NiFe-LDH生长时间对材料元素组成、形貌结构及ORR/OER/HER三功能催化性能的影响规律，阐明异质界面协同增强机制，探索该复合材料在ZABs与电解水一体化器件中的应用潜力。
主要创新点如下：
（1）提出了从“整体掺杂”到“层层构建”的生物炭基电催化剂结构演进设计策略，实现了废弃生物质向高性能碳基催化材料的功能化升级。
（2）揭示了生物炭载体与金属活性位点之间多层次的界面协同增强机制，建立了表界面工程提升催化性能的理论基础。
（3）构筑了一系列兼具高效催化活性与优异稳定性的生物炭基多功能电催化剂，能够实现从ZABs到电解水器件的一体化应用的突破。
