氮氧双掺杂介孔碳材料用作锂空气电池正极催化剂的研究

摘要

现代社会对高能量密度储能设备的需求越来越强烈，因而具有极高理论能量密度的有机体系锂空气吸引了研究人员的的广泛关注。然而，要实现这种高能密度储能设备的实际应用，尚有很多问题需要解决。总体来说，目前锂空气电池面临着能量效率低、负反应严重、循环性能差等各种不足，针对这些问题和挑战，本文从正极材料的设计和优化入手，探究了材料的结构特征和表面化学特性对电池性能的影响，并通过研究RuO2/碳复合材料催化剂的电化学特性，明确了碳基体材料在高催化活性复合材料中的重要作用，并最终获得了一种能量效率高、循环寿命长的锂空气电池正极材料。
　　本研究主要内容包括：⑴以富含氮元素的三聚氰胺和甲醛作碳源，以不同质量的纳米 SiO2（Aerosil-200）做硬模板，采用水热聚合以及后续的高温煅烧获得了N、O双掺杂的单模板介孔碳泡沫材料。当三聚氰胺和SiO2的质量比为7:4时获得的MCF-H7样本具有最高的比表（1028 m2g-1）和最大的孔容（2.577 cm3g-1）。电池测试结果显示，高比表、大孔容有利于电池获得高的放电比容量和好的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）催化活性，最终MCF-H7电极在100 mA g-1的电流密度下获得了高达13100 mAh g-1的放电容量和低至1.08V的充放电电压差，优于商业碳黑Super P的4600mAh g-1和1.55V。⑵在单模板介孔碳材料MCF-H7的基础上进一步引入不同质量的 F127软模板剂，制备双模板介孔碳泡沫材料。电池测试结果显示MCF-H7-S2.5样本具有最佳的综合性能，其在保持材料具有较高比容量和 ORR/OER催化活性的同时还具有较好的循环性能。最终，在200 mA g-1电流密度并限定500 mAh g-1的放电比容量下能稳定循环25圈，高于单模板介孔碳泡沫样本MCF-H7的15圈。针对MCF-H7和MCF-H7-S2.5两种材料在电池性能上表现出来的差异，从材料的结构特性和表面化学特性分析了其原因。结果表明，碳材料中高的O原子掺杂有利于电池获得更好的ORR和OER催化活性，但同时也会导致材料的循环性能较差；而低O高N的表面化学特性使材料保持一定的催化活性外，还能更好的抑制负反应的发生，从而提升材料的循环性能。该结果表明，同调控碳材料的结构特征一样，合理优化材料的表面化学特性也是改善碳材料电化学性能的有效手段。⑶以合成的介孔碳泡沫为基础，通过水热反应制备了RuO2/碳复合材料。电池测试结果显示，在200mAg-1的电流密度下复合材料显示出低至1.02 V的充放电过电势。在400mAg-1的电流密度并限定放电比容量为500mAh g-1条件下进行循环性能测试， RuO2/MCF-H7电极能稳定循环102圈，RuO2/MCF-H7-S2.5电极则更是达到了160圈，该结果一方面显示了复合材料优越的电化学性能；另一方面也说明即使负载了高活性的电催化剂，碳基材料的性质仍然对锂空气电池性能有重要影响。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 锂空气电池概述

1.3 锂空气电池正极材料研究现状

1.4 本课题主要研究内容

第2章 实验材料与实验方法

2.1 实验药品与设备

2.2 实验方法

2.3 材料表征方法

第3章 单模板介孔碳泡沫的制备及其性能研究

3.1 引言

3.2 单模板介孔碳泡沫的制备

3.3 单模板介孔碳泡沫的物化性能表征

3.4 单模板介孔碳泡沫在锂空气电池中的性能研究

3.5 本章小结

第4章 双模板介孔碳泡沫的制备及其性能研究

4.1 引言

4.2 双模板介孔碳泡沫的制备

4.3 双模板介孔碳泡沫的物化性能表征

4.4 双模板介孔碳泡沫在锂空气电池中的性能研究

4.5 氮、氧杂原子掺杂对锂空气电池性能的影响研究

4.6 本章小结

第5章 氧化钌/碳（RuO2/MCF）复合材料的制备及其性能研究

5.1 引言

5.2 RuO2/MCF复合材料的制备

5.3 RuO2/MCF复合材料的物化性能表征

5.4 RuO2/MCF复合材料在锂空气电池中的性能研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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