Mo2C双功能催化剂的可控制备及其在锂-空气电池中的应用研究

摘要

锂-空气电池具有能量密度高（达5200Wh kg-1，包含氧），绿色环保等优点，是目前备受关注的电化学能量存储体系。但是，由于放电时的氧还原反应（ORR）和充电时的氧析出反应（OER）动力学过程缓慢，电池的实际充放电容量低、倍率性和循环稳定性不理想。针对这些问题，本论文从开发新型过渡金属碳化物（Mo2C）ORR/OER双功能催化剂入手，系统研究了其在碱性溶液中的ORR/OER催化活性和稳定性，并以此为基础，开发新型无粘结剂空气电极，组装并探讨其对锂-空气电池性能的影响。
　　第三章，以碳球为模板和碳源，通过简单的水热合成和高温退火，分别制备出具有核-壳结构、蛋黄-蛋壳结构及镂空结构等不同形貌的Mo2C-C微球状复合材料。通过旋转环盘电极（RRDE）测试，研究不同形貌Mo2C-C复合材料在0.1M KOH溶液对ORR和OER催化活性，研究结果表明，蛋黄-蛋壳结构的Mo2C-C复合材料的ORR和OER催化活性最为优异，并表现出优于商业Pt/C和RuO2催化剂的ORR和OER催化稳定性。较高的催化比表面积可以暴露出更多的催化活性位点，此外，在Mo2C纳米颗粒表明包覆的无定型MoOx纳米层既进一步增强了Mo2C颗粒的导电性能，又可以抑制Mo2C纳米颗粒的团聚长大，保障Mo2C-C复合材料的催化稳定性。
　　第四章，以碳布（CC）为碳源，MoCl5为钼源，通过溶液浸渍和高温刻蚀方法成功制备出Mo2C@CC无粘结型空气电极。在此空气电极中，碳纤维被刻蚀成多孔结构，而Mo2C纳米催化剂原位生长刻蚀生成的孔内。组装并测试Li-O2电池，在200,500和1000mA/g电流密度下，Mo2C@CC空气电极的初次放电容量分别高达11853mAh/g，9783mAh/g和7646mAh/g，表现出了优异的放电容量和倍率性能，在500mA/g和500mAh/g充放电截止容量的条件下，电池稳定循环150圈以上而没有丝毫容量损失，表现出优异的循环稳定性。高效的Mo2C双功能催化剂和独特的电极结构是Li-O2电池具有优异性能输出的主要原因。
　　第五章，为了进一步探索并验证无粘结型空气电极的可行性，我们以碳布（CC）为集流体，四水钼酸铵为钼源，次亚磷酸钠为磷源，通过水热法和高温热解磷化法制备了无粘结型MoP@CC空气电极，并组装和测试有机体系Li-O2电池。测试结果表明，MoP@CC空气电极在有机体系Li-O2电池中表现出了远优于CC空气电极的放电容量、充放电过电压和库伦效率，电池实际放电容量高达2.448mAh，充放电库伦效率高达94.4％，并且能够在100μA和充放电截止容量0.25mAh条件下稳定循环400次以上，容量没衰减，仅放电电压降低了约9.0%。研究表明，原位生长无粘结型MoP@CC空气电极可以用作Li-O2电池高效电极。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 锂-空气电池结构与原理

1.3 锂-空气电池分类

1.4 有机电解液体系锂-空气电池

1.5 双功能催化剂的研究现状

1.6 论文选题和主要研究内容

参考文献：

第二章 实验试剂和仪器及材料的表征方法

2.1 实验试剂和仪器

2.2 材料表征

2.3 电化学性能测试

第三章 Mo2C-C微球作为ORR/OER双功能催化剂的研究

3.1 引言

3.2 Mo2C-C微球的制备

3.3 Mo2C-C微球复合材料的表征及分析

3.4 电化学测试

3.5 本章小结

参考文献

第四章 无粘结剂型Mo2C@CC空气电极在Li-O2电池中的应用

4.1 引言

4.2 Mo2C@CC空气电极的制备

4.3 Mo2C@CC空气电极的表征及分析

4.4 Li-O2电池测试及分析

4.5 本章小结

参考文献：

第五章 MoP作为锂-空气电池催化剂的探索与研究

5.1 序言

5.2 MoP@CC空气电极的制备

5.3 MoP@CC空气电极的表征及分析

5.4 有机体系Li-O2电池性能

5.5 本章小结

参考文献：

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

硕士期间研究成果

致谢