基于金属氧化物类催化剂的制备及在金属空气电池中的应用设计

摘要

金属空气电池因其阳极材料丰富、成本低、制备工艺简单、环境友好等特点，作为一种绿色能源电池，受到人们的重视。镁空气电池阳极反应速率远远高于阴极空气电极的氧还原速率，因此阴极氧还原催化剂的催化性能决定了金属空气电池的性能。开发新型、高效的氧还原催化剂，成为金属空气电池的重点研究课题。
　　本文选择制备存在大量晶格缺陷的非晶型 MnO2，以增加催化剂活性位点，载体选用羟基碳纳米管，能够强化氧气传质，提高导电性能，提高MnO2在纳米碳管上的的分散性和结合牢固度。结果表明，MnO2/CNTs-OH催化剂起始还原电位为0.032Vvs.Hg/HgO，半波电位为-0.175V vs.Hg/HgO，转移电子数3.89，塔菲尔斜率88.9mV/dec，催化氧还原性能优异。金属空气电池性能测试中，镁空气电池峰功率密度为77mW/cm2，铝空气电池峰功率密度能够达到100.5mW/cm2，电池放电性能优异。
　　通过调节锰钴复合氧化物中心原子比例，合成高催化活性的MnCo2O4，进一步掺杂稀土元素La，调控MnCo2O4的晶型结构，提升复合金属氧化物催化性能。以活性碳等多种碳材料为载体对复合氧化物进行固载，提高电子传导能力，强化氧气传递，增强催化剂分散性，提高催化剂氧还原性能。电化学实验数据表明，LaxMn1-xCo2O4/3d-C催化剂的起始还原电位为0.038Vvs.Hg/HgO，半波电位为-0.102Vvs.Hg/HgO，转移电子数为3.96，表现优异的氧还原性能及耐久性。镁空气电池性能测试中，电池峰功率密度能够达到71.5mWcm-2，表现了良好的电池性能。
　　考虑到金属复合氧化物的晶相、结构及形貌，对其催化性能的影响，通过溶剂热法分别制备尖晶石型CoFe2O4、非晶型CoFe2O4催化剂，选用活性碳等多种碳材料为载体，解决催化剂电子传导、强化氧气传递等问题。结果表明，CoFe2O4/3d-C催化剂电化学性能最好，起始还原电位为0.01V vs.Hg/HgO，半波电位为-0.121Vvs.Hg/HgO，转移电子数为3.92，催化剂的氧析出电位为0.524Vvs. Hg/HgO，双功能催化剂催化性能优异。
　　以二聚氰胺为原料，模板法制备多孔C3N4，能有效防止热解后形成的碳氮原子簇片层的堆叠，增加比表面积，提高催化剂活性。热解过程中掺杂过渡金属盐，形成金属碳氮原子簇能够增加高催化活性位，进一步提升催化剂性能。电化学实验数据表明，CoC3N4@SiO2/C催化剂性能最好，碱性电解液环境下，起始还原电位0.015V vs.Hg/HgO，转移电子数3.81；酸性电解液环境下，起始还原电位0.487V vs.SCE，转移电子数3.78，展现了优异的氧还原性能及耐腐蚀性能。镁空气电池性能测试中，电池峰功率密度能够达到66mWcm-2。

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引言

第一章 文献综述

1.1 燃料电池简介

1.2 镁空气电池简介

1.3 氧还原催化剂的研究进展

1.4 课题的提出及主要研究内容

第二章 结构表征与性能测试

2.1 催化剂组成、结构、形貌的表征方法

2.2 催化剂的电化学性能测试

2.3 镁空气电池性能测试

第三章 载体对非晶MnO2催化剂性能影响研究

3.1 引言

3.2 仪器与试剂

3.3 制备方法

3.4 催化剂的组成、结构、形貌的表征与性能测试

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 尖晶石型锰钴复合氧化物催化剂制备及性能研究

4.1 引言

4.2 仪器与试剂

4.3 制备方法

4.4 催化剂的组成、结构、形貌的表征与性能测试

4.5 结果与讨论

4.6 本章小结

第五章 双功能铁钴复合氧化物催化剂制备及性能研究

5.1 引言

5.2 仪器与试剂

5.3 制备方法

5.4 催化剂的组成、结构、形貌的表征与性能测试

5.5 结果与讨论

5.6 本章小结

第六章 3D-金属碳氮原子簇催化剂制备及性能研究

6.1 引言

6.2 仪器与试剂

6.3 制备方法

6.4 催化剂的组成、结构、形貌的表征与性能测试

6.5 结果与讨论

6.6 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢