金屬-空氣電池因其高理論能量密度、便攜性、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)被視為未來(lái)新能源汽車、可穿戴電子設(shè)備、智能設(shè)備的供電裝置。而空氣陰極的性能瓶頸是限制金屬-空氣電池廣泛應(yīng)用的重要原因之一。該性能瓶頸主要源于空氣陰極的催化劑材料所導(dǎo)致的反應(yīng)位點(diǎn)少、催化性能低、穩(wěn)定性低的問(wèn)題以及空氣陰極結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的傳質(zhì)效率低等因素�，F(xiàn)今,商用Pt/C催化劑是常用于金屬-空氣陰極的氧還原催化劑。雖然Pt/C催化劑具有高的氧還原反應(yīng)催化活性,但該催化劑穩(wěn)定性較差且貴金屬鉑的引入也帶來(lái)了制備成本高的問(wèn)題。另外,為了將粉末狀的氧還原催化劑涂覆于空氣陰極表面上,制備過(guò)程中常用到高分子粘結(jié)劑,增強(qiáng)了結(jié)合強(qiáng)度,卻產(chǎn)生了部分孔道堵塞或覆蓋活性位點(diǎn)等問(wèn)題。鑒于此,在降低成本的同時(shí)提高空氣陰極的催化活性、增多活性位點(diǎn)及加強(qiáng)傳質(zhì)效率等課題一直備受科研工作者們的關(guān)注。本文以提高空氣陰極性能作為研究重點(diǎn),介紹了基于生物質(zhì)制備非貴金屬氧還原催化劑的制備方法和化學(xué)氣象沉積法制備自支撐氧還原催化層的方法,同時(shí)對(duì)仿生多通道陰極的制備進(jìn)行了探索性研究,本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:開發(fā)了一種成本低、可大規(guī)模生產(chǎn)、具有三維多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

金屬-空氣電池工作原理示意圖

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文4因此，如圖1.2所示，氧還原反應(yīng)的單位面積反應(yīng)位點(diǎn)相較于一般的催化反應(yīng)要少。其次，在氣-液-固三相界面發(fā)生反應(yīng)的特性要求空氣陰極具有多孔結(jié)構(gòu)來(lái)提供更多的反應(yīng)位點(diǎn)并提高氣體傳質(zhì)效率，滿足反應(yīng)過(guò)程中氧氣的供應(yīng)。同時(shí)，空氣陰極還需要做到防止電解液溢流和氣化等現(xiàn)象。最后，要有高效的氧還原催化活性和許多活位點(diǎn)來(lái)滿足氧還原反應(yīng)的快速發(fā)生。因此，空氣陰極需要同時(shí)滿足氣體傳質(zhì)效率高、比表面積大、不漏液、反應(yīng)位點(diǎn)多、導(dǎo)電性好、穩(wěn)定性高等特性，使制備空氣陰極具有不小的難度。圖1.2a)一般催化反應(yīng)的反應(yīng)位點(diǎn)；b)氧還原反應(yīng)發(fā)生在氣-液-固三相界面1.2.2金屬-空氣電池目前存在的問(wèn)題金屬-空氣電池有高理論能量密度的優(yōu)勢(shì)，但是實(shí)際能量密度僅達(dá)到理論能量密度的十分之一[26]。這是由于空氣陰極的性能瓶頸導(dǎo)致的能源轉(zhuǎn)換效率低所導(dǎo)致，且昂貴的制備成本限制了金屬-空氣電池的廣泛應(yīng)用。昂貴的制備成本主要?dú)w因于鉑基氧還原催化劑中稀有金屬的使用，而引起性能瓶頸的原因主要有三點(diǎn)，a.空氣陰極擴(kuò)散層的氣體傳質(zhì)效率低，導(dǎo)致空氣中的氧氣無(wú)法得到有效利用；b.空氣陰極中所用到的氧還原催化劑活性低、穩(wěn)定性低；c.制備過(guò)程中所用到的高分子粘結(jié)劑會(huì)覆蓋催化劑的活性位點(diǎn)，應(yīng)用于柔性電池時(shí)部分催化劑會(huì)脫落使得電池性能降低。除上述問(wèn)題之外，金屬-空氣電池還具有電阻極化、氧還原催化劑的活性低導(dǎo)

第1章緒論7金屬-空氣電池的性能主要受限于空氣陰極處緩慢發(fā)生的氧還原反應(yīng)。氧還原反應(yīng)過(guò)程具有較高的過(guò)電位和緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，限制了電池的放電性能。有鑒于此，金屬-空氣電池制備過(guò)程中會(huì)引入氧還原催化劑降低氧還原反應(yīng)的活化能壘，從而降低過(guò)電位并加快氧還原反應(yīng)的發(fā)生。作為金屬-空氣電池的氧還原催化劑，需具備以“直接4電子途徑”為主的選擇催化性能、具有較多的反應(yīng)位點(diǎn)及優(yōu)異的穩(wěn)定性，以保證金屬-空氣電池的高工作電壓、高功率及長(zhǎng)期工作的要求。然而，大多數(shù)電化學(xué)催化劑尚不能滿足上述的要求，導(dǎo)致金屬-空氣電池的實(shí)際能量密度只能達(dá)到理論能量密度的40-50%，遠(yuǎn)不及理論能量密度[34]。1.4.2鉑基催化劑研究發(fā)現(xiàn)，以鉑（Pt）為主的貴金屬因具有適宜的表面電子結(jié)構(gòu)，理想的氧結(jié)合能，對(duì)于氧還原反應(yīng)有非常高的催化活性[35]。然而鉑金屬粒子直接作為氧還原反應(yīng)催化劑使用時(shí)易發(fā)生Ostwald熟化和粒子的團(tuán)聚，使鉑的單位活性表面積減少，降低催化性能。因此制備鉑基催化劑時(shí)通常將鉑粒子負(fù)載在具有高比表面積、高導(dǎo)電率、化學(xué)穩(wěn)定性高的碳材料制成鉑碳催化劑。常規(guī)的鉑碳催化劑是通過(guò)化學(xué)還原鉑的前驅(qū)體使鉑納米粒子生長(zhǎng)在碳黑表面的方式進(jìn)行制備[36,37]。值得注意的是，根據(jù)氧氣結(jié)合能與氧還原活性關(guān)系圖（圖1.3）可知，雖然氧結(jié)合能為1.57eV的鉑在單體金屬內(nèi)具有最高的催化活性，但是氧還原催化活性仍然有可提高的空間存在[35]。圖1.3氧氣結(jié)合能與氧還原活性關(guān)系圖[35]

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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