金属—空气电池阴极催化剂制备及性能研究.pdf

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1、金属-空气电池阴极催化剂制备及性能研究张小雪2015年1月中图分类号：TQ152UDC分类号：544.6金属-空气电池阴极催化剂制备及性能研究作者姓名张小雪学院名称化工与环境学院指导教师严乙铭教授答辩委员会主席孙克宁教授申请学位工学硕士学科专业化学工程与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月SynthesisofHigh-performanceElectrocatalystsforMetal-airBatteryCathodeCandidateName:XiaoxueZhangSchoolorDepartment:SchoolofChemical

2、EngneeringandEvironmentFacultyMentor:Prof.Yi-MingYanChair,ThesisCommittee:Prof.KeningSunDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:ChemicalEngineeringandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January,2015北京理工大学硕士学位论文摘要随着化石能源消耗带来的能源危机和环境问题日渐紧迫，如何处理这样的危机和问题成为当前的热门课

3、题。电池作为一种能量储存和输出装置，具有重要的研究意义。其中，金属-空气电池燃烧值能够比拟化石燃料，近些年来得到了极大重视。在金属-空气电池中，空气电极（即阴极）是氧气还原和氧气析出的中枢，因此它成为制约金属-空气电池性能的关键因素。寻找合适的阴极催化剂，能有效改善金属-空气电池的充放电性能和可逆性，从而提高电池的阴极性能。论文主要研究氧气反应的催化剂，实验分为三个部分：首先，制备了含有大量金属填充的碳纳米管，并对其电化学性能进行研究。实验进一步改良的化学沉积方法，合成出具有特殊构造的碳纳米管。该碳纳米管不仅能提高原有碳纳米管的导电性能，还能在氧气还原过程中赋予

4、其较高的电催化性能，并且可保留所包填原始金属的磁性，对金属具有强力的保护作用。其次，探究了Mullite结构的SmMn2O5作为新型氧还原催化剂在镁空气电池中的应用。在碱性和中性条件下，SmMn2O5能够催化四电子的氧气还原反应过程，可用于中性无机电解液的镁空气电池中。将该材料组装成型，电池的开路电压大约为1.4V，两组电池能够使一个额定电压为2.5V~2.8V，额定功率为0.05W的LED灯泡发光。最后，研究了La2O3@CMSs作为氧气反应双功能催化剂的性能。在1.0M的KOH溶液中，该双功能催化剂可以同时催化氧气还原和氧气析出反应，且催化氧气反应的电化学窗

5、口仅为0.80V，催化氧气还原和氧气析出反应的质量电流密度分别达到78.3A/g和831.5A/g，良好的性能使经济成本大大减小。将该材料组装成有机体系的锂空气电池，充放电过电位分别为1.01V和0.18V，在限容充放电测试中，当限容量为1000mAg/h时，该锂空气电池可循环工作50次。关键词：金属空气电池；催化剂；氧还原；氧析出I北京理工大学硕士学位论文AbstractAstheincreaseoffossilconsumption,thecausedenvironmentalproblemshaveinvokedessentialeffortstodeve

6、lopnovelbatteriestechnologiesasrenewableenergystorageandconversiondevices.Amongthesebatteriestechnologies,metal-airbatterieshaveattractedextremelygreatattentionduetotheirhighenergydensitythatcanmatchthefossilenergy.However,thecathodeisthecentraltodevelopmetal-airbatterybecausetheaire

7、lectrodeisgenerallykineticallysluggishduetotheelectrochemistryoftheoxygenoxidationandoxygenevolution.Therefore,searchingforasuitable,controllableandhigh-performancecathodeelectrocatalystisthekeychallengetobothincreaseoutputofthemetal-airbatterypowerandtoimprovethecharge-dischargereve

8、rsibility.Fi