金屬-空氣電池具有高能量密度、低成本、安全性強(qiáng)以及環(huán)境友好的特點,有望應(yīng)用到新興電動汽車和能量儲存方面。金屬-空氣電池一般使用Pt作為陰極氧還原電催化劑,但Pt作為貴金屬催化劑價格昂貴且穩(wěn)定性差,這兩方面不足嚴(yán)重影響了金屬-空氣電池的實際應(yīng)用。近年來,研究發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦氧化物具有催化活性高、種類多、成本低等優(yōu)點,有望取代Pt成為金屬-空氣電池的氧還原電催化劑。已有研究表明La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-δ)具有優(yōu)異的氧還原催化活性,但實際制備的催化劑材料比表面積小、催化活性不夠高,需要通過先進(jìn)制備方法來獲得高比表面積以及多活性位的鈣鈦礦型電催化劑。本文采用聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl pyrrolidone,PVP)作為絡(luò)合劑的溶膠凝膠法以及靜電紡絲技術(shù)分別制備出層狀多孔(La_(0.8)Sr_(0.2))_(0.95)MnO_(3-δ)和一維多孔La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-δ)納米棒氧還原電催化劑。具體的研究內(nèi)容及結(jié)果如下:(1)本研究使用PVP作為絡(luò)合劑的溶膠凝膠法在中低溫條件下成功制備出層狀多孔(La_(0.8)Sr_(0.2))_(0.95)MnO_(3-δ)催化劑,發(fā)現(xiàn)600℃為最佳焙燒溫度。600℃焙燒后的層狀多孔(La_(0.8)Sr_(0.2))_(0.95)MnO_(3-δ)催化劑的比表面積大(15.99 m~2 g~(-1)),氧還原(Oxygen reduction reaction,ORR)催化活性高(1600 rpm轉(zhuǎn)速下起始電位為~0.90V,極限電流密度達(dá)到~5.61 m A cm~(-2)),電荷儲存性能良好(10 m V s~(-1)掃描速度下,比電容為101.19 F g~(-1))。本研究獲得的層狀多孔(La_(0.8)Sr_(0.2))_(0.95)MnO_(3-δ)催化劑不僅能作為優(yōu)異的金屬-空氣電池用氧還原電催化劑,也能應(yīng)用到超級電容器。(2)本研究利用靜電紡絲技術(shù)在中低溫(650℃)條件下成功制備出一維多孔La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-δ)納米棒。一維多孔La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-δ)納米棒的比表面積比傳統(tǒng)溶膠凝膠法制備的催化劑高出9倍(30.27 m~2 g~(-1)),ORR催化活性優(yōu)異(1600 rpm轉(zhuǎn)速下起始電位為~0.91 V,極限電流密度達(dá)到~5.62 mA cm~(-2),即使不添加碳粉作為導(dǎo)電劑和分散劑,極限電流密度也能達(dá)到~5.07 mA cm~(-2))。經(jīng)過1000圈循環(huán)伏安測試,ORR催化活性幾乎沒有下降,展現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性。本研究制備獲得的催化劑解決了傳統(tǒng)方法制備的La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-δ)催化劑比表面積小、ORR催化活性不夠高的問題,有望取代Pt成為空氣電池的氧還原電催化劑。綜上所述,本論文通過改進(jìn)鈣鈦礦型錳酸鹽的制備方法獲得了兩種性能優(yōu)異的ORR催化劑,為開發(fā)面向應(yīng)用的高效且穩(wěn)定的ORR催化劑提供了有價值的方法和思路。
【學(xué)位單位】：暨南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;TM911.41
【部分圖文】：

1.1 引言世界正面臨著人口過多、資源短缺、環(huán)境污染等多方面的問題，而能源問題是二十一世紀(jì)社會可持續(xù)發(fā)展最重要的問題之一[1, 2]。如何對能源進(jìn)行合理開發(fā)和有效利用關(guān)系到全世界的未來。傳統(tǒng)能源資源作為支持社會發(fā)展的核心被過度消耗，因此大力開發(fā)和利用新能源和可再生能源，減少化石能源的使用或?qū)⑺鼈兏咝兽D(zhuǎn)換利用成為當(dāng)今社會的要務(wù)。據(jù)預(yù)測不久的將來，隨著石油和天然氣等傳統(tǒng)能源逐漸枯竭，一系列新能源和可再生能源將得到迅速發(fā)展[3]。目前可持續(xù)能源（如太陽能、風(fēng)能、水力能）的利用已經(jīng)獲得了世界各地專家學(xué)者的關(guān)注[4]。然而這些可再生能源一直受制于間歇供應(yīng)和區(qū)域差異，難以在能源系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用。為了解決這些問題，電化學(xué)能量儲存和轉(zhuǎn)換技術(shù)，例如金屬-空氣電池（Metal-air Battery）、燃料電池（Fuel Cell）和電解水（Water Splitting），成為了科學(xué)界的研究熱點[1-4]。

阻礙了燃料在 Pt 上的進(jìn)一步氧化，導(dǎo)致電池的效率降低屬-空氣電池金屬-空氣電池簡介屬-空氣電池具有高能量密度、低成本、安全性強(qiáng)以及環(huán)境友好的于插電式混合動力汽車、電動汽車和智能電網(wǎng)[16]。如圖 1-2 所示，池主要由三個部分組成，分別為金屬陽極、電解液和空氣電極[17部分隔開，是一種只允許離子通過的絕緣體。金屬-空氣電池在放屬陽極發(fā)生氧化反應(yīng)變成金屬離子，氧氣在空氣電極區(qū)域發(fā)生氧還gen reduction reaction，ORR）。在充電過程中，金屬離子發(fā)生還原屬極，在空氣極發(fā)生氧析出反應(yīng)（Oxygen evolution reaction，OE電池具有開放式的電池結(jié)構(gòu)，可以使用空氣作為反應(yīng)物，因而相具有比電容高的優(yōu)點[13, 17, 18]。

暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文1.3.3 空氣電極如圖 1-3（a）所示，在水性電解質(zhì)的空氣電池中，ORR 主要發(fā)生在空氣、液體電解質(zhì)和固體催化劑之間的三相接觸區(qū)域[22]。催化劑層必須保證兩點，首先空氣可以有效擴(kuò)散到電極中的三相界面上，其次電解質(zhì)能被吸附在催化劑表面且不能隨著氣體滲漏。因此催化劑層一般采用電解質(zhì)側(cè)親水，氣體側(cè)疏水的結(jié)構(gòu)而非水性電解質(zhì)與水性電解質(zhì)有所不同[23]。圖 1-3（b）是使用有機(jī)電解質(zhì)的鋰空氣電池示意圖，放電產(chǎn)物（Li2O2或 Li2O）不溶于電解質(zhì)，沉積在催化劑表面，阻止空氣繼續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散。只有溶解在電解質(zhì)中的氧能參與 ORR，因而反應(yīng)只發(fā)生在電解質(zhì)與催化劑兩相界面處。圖 1-3（c）展示了由氧透膜，氣體擴(kuò)散層和用金屬網(wǎng)支撐的催化劑層組成的空氣電極結(jié)構(gòu)模型。其中催化劑層如圖 1-3（d）所示，所用催化劑一般是大孔或中孔顆粒，顆粒間的空隙被電解質(zhì)完全潤濕[22]。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 莊全超;徐守冬;邱祥云;崔永麗;方亮;孫世剛;;鋰離子電池的電化學(xué)阻抗譜分析[J];化學(xué)進(jìn)展;2010年06期

本文編號：2891828