金屬-空氣電池因其高理論能量密度、便攜性、響應速度快、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點被視為未來新能源汽車、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致的反應位點少、催化性能低、穩(wěn)定性低的問題以及空氣陰極結(jié)構(gòu)缺陷導致的傳質(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了制備成本高的問題。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,制備過程中常用到高分子粘結(jié)劑,增強了結(jié)合強度,卻產(chǎn)生了部分孔道堵塞或覆蓋活性位點等問題。鑒于此,在降低成本的同時提高空氣陰極的催化活性、增多活性位點及加強傳質(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,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氣象沉積法制備自支撐氧還原催化層的方法,同時對仿生多通道陰極的制備進行了探索性研究,本文的主要研究內(nèi)容如下:開發(fā)了一種成本低、可大規(guī)模生產(chǎn)、具有三維多級孔道結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)... 

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【學位級別】：碩士

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金屬-空氣電池工作原理示意圖

吉林大學碩士學位論文4因此，如圖1.2所示，氧還原反應的單位面積反應位點相較于一般的催化反應要少。其次，在氣-液-固三相界面發(fā)生反應的特性要求空氣陰極具有多孔結(jié)構(gòu)來提供更多的反應位點并提高氣體傳質(zhì)效率，滿足反應過程中氧氣的供應。同時，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來滿足氧還原反應的快速發(fā)生。因此，空氣陰極需要同時滿足氣體傳質(zhì)效率高、比表面積大、不漏液、反應位點多、導電性好、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)一般催化反應的反應位點；b)氧還原反應發(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題金屬-空氣電池有高理論能量密度的優(yōu)勢，但是實際能量密度僅達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致的能源轉(zhuǎn)換效率低所導致，且昂貴的制備成本限制了金屬-空氣電池的廣泛應用。昂貴的制備成本主要歸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，a.空氣陰極擴散層的氣體傳質(zhì)效率低，導致空氣中的氧氣無法得到有效利用；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.制備過程中所用到的高分子粘結(jié)劑會覆蓋催化劑的活性位點，應用于柔性電池時部分催化劑會脫落使得電池性能降低。除上述問題之外，金屬-空氣電池還具有電阻極化、氧還原催化劑的活性低導

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。氧還原反應過程具有較高的過電位和緩慢的反應動力學過程，限制了電池的放電性能。有鑒于此，金屬-空氣電池制備過程中會引入氧還原催化劑降低氧還原反應的活化能壘，從而降低過電位并加快氧還原反應的發(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、具有較多的反應位點及優(yōu)異的穩(wěn)定性，以保證金屬-空氣電池的高工作電壓、高功率及長期工作的要求。然而，大多數(shù)電化學催化劑尚不能滿足上述的要求，導致金屬-空氣電池的實際能量密度只能達到理論能量密度的40-50%，遠不及理論能量密度[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，對于氧還原反應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催化劑使用時易發(fā)生Ostwald熟化和粒子的團聚，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通常將鉑粒子負載在具有高比表面積、高導電率、化學穩(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化學還原鉑的前驅(qū)體使鉑納米粒子生長在碳黑表面的方式進行制備[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]

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碩士論文
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本文編號：3035746