镁空气燃料电池用氧还原电催化剂的研究

摘要

随着经济的快速发展，越来越多的化石能源被消耗，随之带来了一系列环境问题（酸雨和气候改变），因此有必要开发新型清洁能源。电池作为一种能量储存和输出装置，具有重要的研究意义。金属空气燃料电池属于燃料电池的一种，由于其具有丰富的原材料、较高的性价比、对环境无污染、安全易操作等特点非常适合用于电动车动力电源。电池的性能主要受空气阴极的影响，阴极是催化氧还原反应，因此，电池的性能主要由催化剂决定。目前应用最多的氧还原催化剂是碳材料负载铂基纳米粒子，由于具有价格昂贵，稳定性差等问题，而无法实现金属空气燃料电池的大规模应用。
　　本论文主要研究氧气反应的非Pt金属催化剂，研究的内容分为三部分：
　　首先，制备了α-MnO2/graphene复合物催化剂，对其电化学性能进行研究，并将其应用在镁空气燃料电池上，该催化剂采用简单的水热法将α-MnO2组装到石墨烯的表面，相较于商用纳米氧化锰，纳米氧化锰与石墨烯复合物表现出很好的电催化活性，α-MnO2/graphene复合物在0.1M KOH溶液中氧气还原峰为-0.252V（vs. HgO/Hg）高于商用氧化锰（-0.287V）。通过旋转圆盘电极测试，α-MnO2/graphene复合物的氧还原机理是近四电子路径。此外，制备了较大面积（5*5cm）镁空气燃料电池并用于测试。测试结果表明，该催化剂表现出较好的功率密度（96 mW/cm2，最高电流密度140mA/cm2）。结果表明，经济有效的α-MnO2/graphene复合材料可以应用在镁空气燃料电池中替代贵金属催化剂。
　　其次，以金属有机框架化合物 ZIF-67为前驱物，制备 Ag-Co3O4@NC/CNT复合物，探究了其作为新型氧还原催化剂在镁空气燃料电池中的应用。测试结果表明，Ag-Co3O4@NC/CNT的起峰电位在-0.0024V更优于20％Pt/C（-0.0729V），半波电位是-0.198V比较接近商用20%Pt/C（-0.20V）。Ag-Co3O4@NC/CNT的塔菲尔的斜率是95mV/dec，该值比较接近20%Pt/C催化剂（86mV/dec）。在碱性和中性条件下，Ag-Co3O4@NC/CNT能够催化四电子的氧气还原反应过程，可用于中性无机电解液的镁空气电池中。相较于20%商用Pt/C催化剂，该催化剂表现出更高的功率密度（88.9mW/cm2，最高电流密度140mA/cm2）。
　　最后研究了以Co基的金属有机框架材料ZIF-67为前驱物，在ZIF-67生长过程中添加金属La离子得到La-ZIF-67，经过先低温氧气热处理后然后在惰性气体氛围中700℃煅烧3h得到LaCoO3-Co3O4@NC。测试结果表明，LaCoO3-Co3O4@NC塔菲尔的斜率只有73.1mV/dec，低于 Pt/C催化剂（77.3mV/dec），说明LaCoO3-Co3O4@NC的过电位大大低于Co3O4@NC而且略低于20%Pt/C催化剂。通过旋转圆盘计算氧还原在 LaCoO3-Co3O4@NC电极主要是以四电子路径进行。在OER性能测试中，LaCoO3-Co3O4@NC的起峰电位为1.37V(vs. RHE)远低于Co3O4@NC的起峰电位为1.55V，而20%Pt/C的起峰电位1.45V，说明LaCoO3-Co3O4@NC也是优异的氧析出催化剂。将 LaCoO3-Co3O4@NC应用在镁空气燃料电池，相较于20%商用 Pt/C催化剂，该催化剂表现出更高的功率密度（150mA/cm2时对应的功率密度为90mW/cm2）。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 燃料电池概述

1.3 金属空气燃料电池的概述

1.4 氧还原催化剂的研究

1.5 空气电极的制备

1.6 本课题选择的意义和内容

第2章 α-MnO2/Graphene复合材料的制备及其在镁空气燃料电池的应用

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章Ag-Co3O4@N-doped carbon与碳纳米管复合材料的制备及其在镁空气燃料电池的应用

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 ZIF-67模板制备LaCoO3-Co3O4@NC的双功能催化剂及其在镁空气燃料电池的应用

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文和专利目录

致谢