| 金属空气电池中氧还原催化剂的研究 | |
| 王瀛 | |
| Subtype | 理学博士 |
| Thesis Advisor | 邓友全 |
| 2013-11-27 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Department | 绿色化学研究发展中心 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 氧还原反应 电催化 金属空气电 旋转圆盘电极 Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysis Metal-air Batteries Rotating Disk Electrode |
| Abstract | 与传统锌锰、铅酸等电池相比，金属空气电池具有更高的能量密度和能量效率，且环境友好，因此受到了人们的广泛关注。近年来金属空气电池取得了长足的发展，然而仍受到多种因素的制约，其中一重要因素就是阴极氧还原反应动力学较为缓慢，过电位较大，需要催化剂来进一步提高其反应速率。目前Pt 基催化剂具有较高的催化活性，但其资源短缺，价格昂贵，直接影响实际应用，因此研究开发低成本且高催化活性的氧还原催化剂是金属空气电池商业化发展的重大挑战。本论文以阴极氧还原催化剂为研究对象，开发新型高催化性能催化剂，并以锌空电池为研究对象考察了催化剂对电池性能的影响。 本论文首次将银钼氧化物应用于催化氧还原反应中。通过循环伏安(CV)、线性扫描(LSV)、旋转圆盘(RDE)等电化学方法对其进行了测试，表明银钼氧化物具有催化氧还原反应的能力。同时催化剂制备过程中的pH 值直接影响其电化学性质，当硝酸加入量为22 mL（与AgNO3 摩尔比为2.93）时，银钼氧化物具有最高的面积比活性和质量比活性。将该氧化物应用于锌空电池中，电池开路电压达1.35 V，最高功率密度达87.5 mW cm-2，远高于文献所报道。 将Ag/Co3O4-C 应用于催化氧还原反应。Co3O4 的加入减小了纳米Ag 颗粒大小，增大了活性面积，其面积比活性和质量比活性远高于Ag/C 和Co3O4-C。动力学研究发现，氧还原在Ag/Co3O4-C 催化剂上的反应历程与Pt/C 相同，皆为四电子转移。同时该催化剂在碱性溶液中具有较好的抗甲醇能力及稳定性。通过考察MnOx 含量对Ag-MnOx/C 催化性能的影响发现，当MnOx 含量为20 wt.%时，催化活性最高。将其应用于锌空电池中，100 mA cm-2 放电时电池电压达1.01 V。 为降低催化剂成本，研究了MnOx-Co3O4/C 催化氧还原性能。Co3O4 的加入大大提高了催化剂的活性面积，并有效的促进了HO2-的还原及催化剂表面氧的化学吸附和传递。通过对MnOx 含量的考察发现，催化活性随MnOx 含量的增加呈火山型变化趋势，当MnOx 含量为10-20 wt.%时，催化性能最好。将其应用于锌空气电池中，电池开路电压大约为1.39 V，100 mA cm-2 放电时电池电压达0.97 V，最大功率密度达97 mW cm-2。 分别采用尿素和三聚氰胺为氮源，制备了氮掺杂碳材料，考察了不同氮源所制备的碳材料催化氧还原性能，发现以尿素为氮源时催化性能较好。通过对热处理温度的考察发现，随着温度的升高，催化活性是先增加后减小，当温度为800 oC 时，催化活性最高，其起始电位仅与Pt/C 相差11 mV。通过对比此类催化剂和商业活性炭XC-72 在含离子液的有机电解液中催化氧还原和氧析出性能，发现UF-CNx 催化剂在该体系中能较好的催化氧还原反应，而对氧析出反应效果不明显。 |
| Funding Project | 绿色催化课题组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/6504 |
| Collection | 绿色化学研究发展中心 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 王瀛. 金属空气电池中氧还原催化剂的研究[D]. 中国科学院大学,2013. |
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| 201310王瀛.pdf（3626KB） | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | |||
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