本文關(guān)鍵詞：改性二氧化鈦在鋰空氣電池中的催化機(jī)理與應(yīng)用研究

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【摘要】：鋰空氣電池的理論比能量在充電狀態(tài)時(shí)(忽略氧氣的質(zhì)量)高達(dá)11140 W·h·kg-1,而在放電狀態(tài)(包含氧氣的質(zhì)量)時(shí)則達(dá)到3458 W·h·kg-1,有望成為運(yùn)用于電動(dòng)汽車的新一代高能電池。鋰空氣電池的種類根據(jù)電解質(zhì)的不同主要分為水性、有機(jī)、固態(tài)以及混合體系,其中有機(jī)電解液體系鋰空氣電池在經(jīng)過Abraham和Jiang的研究后成為了現(xiàn)今的研究熱點(diǎn)。雖然鋰空氣電池發(fā)展?jié)摿@人,但是目前離其實(shí)用化、商業(yè)化生產(chǎn)仍有幾個(gè)關(guān)鍵問題難以解決,其中的關(guān)鍵問題之一在于氧氣在空氣正極上的還原(ORR)與析出(OER)過程受阻,導(dǎo)致電池的充放電性能以及循環(huán)壽命難以達(dá)到預(yù)期。因此,于空氣正極中加入合適的催化劑以提升ORR和OER的動(dòng)力學(xué)過程,是普遍認(rèn)可的提升鋰空氣電池綜合性能的有效途徑。目前鋰空氣電池中的常用催化劑為碳材料、貴金屬、鈣鈦礦以及過渡金屬氧化物等,其中過渡金屬氧化物以其低廉高效的特性成為了最具發(fā)展?jié)摿Φ拇呋瘎�。故本�?shí)驗(yàn)以二氧化鈦(TiO_2)為研究起點(diǎn),通過對其進(jìn)行改性并運(yùn)用與鋰空氣電池中,研究其對電池ORR和OER過程的催化效果。首先,利用簡單的高溫處理方法對TiO_2進(jìn)行改性,使其表面產(chǎn)生氧空位,利用氧空位增加O2在TiO_2表面的吸附,同時(shí)降低O2還原所需的活化能,進(jìn)而提升電池放電反應(yīng)的ORR速率。本實(shí)驗(yàn)利用多種表征手段證明了改性TiO_2中氧空位的存在,同時(shí)也通過實(shí)驗(yàn)得出,TiO_2本身就具有較強(qiáng)的ORR催化能力,氧空位的存在使得TiO_2對ORR過程的催化作用得到進(jìn)一步加強(qiáng),具體表現(xiàn)在電池性能上則為放電比容量在0.3和0.5 mA·cm-2電流密度下分別提升了39%和75%。在循環(huán)壽命方面,改性TiO_2將電池的循環(huán)壽命提升到了400次以上,是在原有基礎(chǔ)上的重大突破。經(jīng)分析,改性TiO_2催化效果的提升在于氧空位的存在,氧空位為ORR過程提供更多的反應(yīng)活性位點(diǎn),有利于O2在其表面吸附與還原,同時(shí)有利于Li+和電子在其表面的傳輸,因而大大提升了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。其次,為了進(jìn)一步提升TiO_2的催化效果,實(shí)驗(yàn)制備了具有納米片結(jié)構(gòu)的Mn摻雜的TiO_2,并研究了其雙功能催化效果(ORR和OER)。研究表明,材料特殊的表面形貌與Mn摻雜產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)改變能起到協(xié)同催化效應(yīng),一方面,納米片狀的結(jié)構(gòu)顯著增加了催化劑的活性表面,同時(shí)納米片狀結(jié)構(gòu)有利于O2的傳輸與Li2O2的儲存,提升了ORR過程;另一方面,Mn的摻雜使得TiO_2轉(zhuǎn)變?yōu)镻型半導(dǎo)體,改變了TiO_2原有的導(dǎo)電機(jī)制,其中導(dǎo)電空穴的存在有利于捕獲電子,加速放電產(chǎn)物L(fēng)i2O2的分解,從而提升電池的OER過程。CV測試表明,Mn摻雜TiO_2催化劑能夠增大ORR的起始電位和減小OER的起始電位,而在鋰空氣電池在充放電測試過程中則顯著地降低了電池的充放電過電壓,使得鋰空氣電池的穩(wěn)定性得以提升,說明Mn摻雜TiO_2納米片具有良好的雙功能催化作用。綜上所示,本實(shí)驗(yàn)制備了兩種改性TiO_2催化劑,并系統(tǒng)地研究了其在鋰空氣電池中的催化機(jī)理,為應(yīng)用于鋰空氣電池領(lǐng)域的催化劑研究提供了重要的探索經(jīng)驗(yàn)。
【關(guān)鍵詞】：二氧化鈦 氧空位 摻雜 催化劑 鋰空氣電池
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36;TM911.41
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-24
• 1.1 鋰空氣電池研究背景與意義9-10
• 1.2 有機(jī)電解液體系鋰空氣電池的基本原理10-13
• 1.3 鋰空氣電池面臨的關(guān)鍵性問題以及解決方案13-14
• 1.4 國內(nèi)外對鋰空氣電池催化劑的最新研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢14-19
• 1.4.1 碳材料催化劑14-15
• 1.4.2 貴金屬及其氧化物催化劑15
• 1.4.3 過渡金屬氧化物催化劑15-17
• 1.4.4 鈣鈦礦催化劑17-18
• 1.4.5 可溶性催化劑18-19
• 1.5 TiO_2催化劑在鋰空氣電池中的研究現(xiàn)狀19-21
• 1.6 本文的選題依據(jù)、研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)21-24
• 1.6.1 本文的選題依據(jù)21-22
• 1.6.2 本文的研究內(nèi)容22-23
• 1.6.3 本文的創(chuàng)新點(diǎn)23-24
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料和儀器24-29
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料24-25
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器25-26
• 2.3 材料表征26-27
• 2.3.1 X射線衍射(XRD)晶體結(jié)構(gòu)分析26
• 2.3.2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分析26
• 2.3.3 能譜分析(EDS)26
• 2.3.4 拉曼光譜(Raman)測試分析26-27
• 2.3.5 X射線光電子能譜(XPS)測試27
• 2.3.6 比表面積(BET)測試27
• 2.4 電化學(xué)性能測試27-29
• 2.4.1 循環(huán)伏安法測試(CV)27
• 2.4.2 電化學(xué)交流阻抗(EIS)測試27-28
• 2.4.3 恒流充放電測試28-29
• 第三章 高溫處理改性二氧化鈦在鋰空氣電池中的催化性能研究及機(jī)理分析29-49
• 3.1 引言29-31
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分31-33
• 3.2.1 高溫處理改性二氧化鈦的制備31
• 3.2.2 鋰空氣電池空氣正極的制備及電池的組裝31-32
• 3.2.3 材料性能表征及電化學(xué)測試32-33
• 3.3 結(jié)果與討論33-47
• 3.3.1 二氧化鈦催化劑的材料結(jié)構(gòu)表征33-38
• 3.3.2 二氧化鈦催化劑的電化學(xué)催化性能測試與機(jī)理分析38-43
• 3.3.3 鋰空氣電池循環(huán)性能及產(chǎn)物分析43-47
• 3.4 本章小結(jié)47-49
• 第四章 錳摻雜改性二氧化鈦納米片在鋰空氣電池中的催化性能研究及機(jī)理分析49-71
• 4.1 引言49-51
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分51-53
• 4.2.1 錳摻雜改性二氧化鈦納米片的制備51-52
• 4.2.2 鋰空氣電池空氣正極的制備及電池的組裝52
• 4.2.3 材料性能表征及電化學(xué)測試52-53
• 4.3 結(jié)果與討論53-69
• 4.3.1 TiO_2 PS、TiO_2 NS和Mn-TiO_2 NS的材料結(jié)構(gòu)表征53-61
• 4.3.2 TiO_2 PS、TiO_2 NS和Mn-TiO_2 NS的電化學(xué)催化性能測試與機(jī)理分析61-69
• 4.4 本章小結(jié)69-71
• 第五章 結(jié)論與展望71-73
• 5.1 結(jié)論71-72
• 5.2 展望72-73
• 參考文獻(xiàn)73-84
• 致謝84-85
• 攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果85

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

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本文編號：666383