發(fā)布時間：2018-06-22 15:11

  本文選題：鋰-空氣電池 + 催化劑��； 參考：《華中科技大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：鋰-空氣電池是以金屬鋰作為負(fù)極,以空氣中的氧氣作為正極,活性物質(zhì)氧氣從外界通過氣體擴(kuò)散電極進(jìn)入電池,并達(dá)到氣、固、液三相界面,發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而釋放出電能,是一種新型的“半燃料電池”,具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。目前,鋰-空氣電池處于起步階段,雖然在電解質(zhì)、碳材料及催化劑等方面取得了一些進(jìn)展,但是電池的放電性能、循環(huán)性能、極化性能等仍未得到很好的改善。在鋰-空氣電池中,催化劑主要用來改善放電反應(yīng)及充電反應(yīng)的動力學(xué)過程,降低反應(yīng)活化能,從而降低過電勢,減少電池極化,催化劑的加入能有效地改善電池的極化。因此,本文以高效穩(wěn)定催化活性的鋰-空氣電池陰極催化劑為研究對象,分別對納米銀負(fù)載納米二氧化錳核殼復(fù)合材料、納米二氧化錳負(fù)載碳納米管(MWCNTs)核殼復(fù)合材料、納米過渡族金屬氧化物負(fù)載碳納米管核殼復(fù)合材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。深入研究了反應(yīng)條件對核殼復(fù)合材料催化劑的形成機(jī)理、微觀形貌及電化學(xué)性能的影響,實現(xiàn)了核殼型電催化材料形貌的可控制備,初步揭示了催化劑物化性能與電化學(xué)性能之間的關(guān)系,為鋰-空氣電池陰極催化劑的發(fā)展提供了理論依據(jù)和新的思路。本文獲得的主要結(jié)論如下： (1)以PVP為表面活性劑,KMnO4、(NH4)2S2O8、 MnSO4·H2O為反應(yīng)物,通過水熱法,分別控制水熱溫度(160℃及220℃)、水熱時間(12h及24h),制備了具有良好分散特性的一維納米棒結(jié)構(gòu)的a-MnO2及β-MnO2。通過原位復(fù)合技術(shù),在α-MnO2及β-MnO2納米棒表面進(jìn)行納米銀的修飾,通過控制銀氨溶液的濃度和滴加速率可以有效地控制表面銀的摻雜量。Ag/a-MnO2有利于氧還原反應(yīng)的進(jìn)行,具有更佳的充放電循環(huán)性能。1M LiTFSI/TEGDME電解液有助于提高電池的可逆循環(huán)性能,而1M EC/DEC1:1(W/W) LiTFSI電解液由于在放電過程中的自分解反應(yīng)降低了電池的可逆循環(huán)性能。經(jīng)過表面修飾后的復(fù)合催化劑組裝的電池在充放電比容量、可逆循環(huán)性能、充放電平臺等方面要明顯優(yōu)于純Mn02組裝的電池性能。 (2)以PDA為表面活性劑,對MWCNTs進(jìn)行表面預(yù)處理,克服了傳統(tǒng)用強(qiáng)酸處理對MWCNTs進(jìn)行表面處理而使MWCNTs結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷的弊端,提高了MWCNTs在水溶液中的分散性和浸潤性。通過原位復(fù)合技術(shù),成功地在MWCNTs表面進(jìn)行過渡族金屬氧化物(Mn02)的修飾,通過控制反應(yīng)溫度和反應(yīng)物濃度及滴加速率,可以有效控制MWCNTs表面的包覆效果。高比表面積的催化劑(MnO2/MWCNTs)有利于氧還原反應(yīng)的進(jìn)行,首次放電比容量801mAh·g-1(electrode)、充電比容量為798mAh·g-1(electrode),放電平臺電壓為2.9V左右,充電電壓為3.7V左右,庫侖效率為99.7%,在0.02mA·cm-2下放電,容量保持率較高為99.7%,而在0.5mA·cm-2下放電,容量保持率為82.3%,即使在大放電電流密度下放電,電池仍能表現(xiàn)出較好地充放電性能。 (3)利用水熱合成法,通過精確控制Co、 Mn(Fe)原子的配比,水熱反應(yīng)的溫度及反應(yīng)時間,在經(jīng)PDDA表面預(yù)處理的碳納米管表面成功包覆CoMn2O4(CoFe2O4)納米結(jié)構(gòu),避免了因共沉淀法需煅燒前驅(qū)物且煅燒形成的產(chǎn)物顆粒較大易結(jié)塊團(tuán)聚的缺點。CoMn2O4/MWCNTs的比表面積為1825.63m2·g-1,孔容為2.81cm3·g-1,平均孔徑為8.03nm;屬于典型的介孔結(jié)構(gòu),該介孔結(jié)構(gòu)能夠有效地為氧氣的傳輸提供便捷的傳輸通道,有效提高空氣電極的電催化性能和鋰-空氣電池的整體性能。通過對以CoMn2O4/MWCNTs復(fù)合材料為催化劑的空氣電極的循環(huán)伏安測試發(fā)現(xiàn),在3.26V和3.80V左右有兩個明顯的氧化峰,呈現(xiàn)出比純MWCNTs更好的氧析出性能(放電過程),氧析出過程中的兩個氧化峰值分別對應(yīng)于Li20與Li202的生成。循環(huán)伏安測試說明CoMn2O4/MWCNTs復(fù)合催化劑對鋰-空氣電池的氧析出過程有良好的催化活性。而在CoFe2O4/MWCNTs中CoFe2O4通過與MWCNTs間發(fā)生了強(qiáng)的耦合,其表面的電子更容易轉(zhuǎn)化為自由電子,具有更高的電子導(dǎo)電性,從而有利于對ORR和OER的電催化活性。在3.62V左右有個明顯的氧化峰,氧析出過程中的氧化峰值對應(yīng)于Li202和Li20的生成。
[Abstract]:Lithium - air battery is a new type of " semi - fuel cell " , which is mainly used to improve the kinetics of discharge reaction and charging reaction , reduce the activation energy of the cell , reduce the polarization of the battery , and improve the polarization of the battery .

( 1 ) A - MnO2 and 尾 - MnO2 with good dispersion characteristics were prepared by using PVP as a surfactant , KMnO 4 , ( NH 4 ) 2S 2O 8 and MnSO 4 路 H2O as reactants .

( 2 ) The surface treatment of MWCNTs was carried out on the surface of MWCNTs by using PDA as surfactant . The effect of MWCNTs on the surface of MWCNTs was overcome . The effect of MWCNTs on the surface of MWCNTs was improved by in - situ composite technique .

( 3 ) CoMn2O4 ( CoFe2O4 ) nano - structure was successfully coated on the surface of carbon nanotubes pretreated with CoMn2O4 / MWCNTs . The results showed that CoMn2O4 / MWCNTs composite catalyst had better catalytic activity for oxygen evolution than pure MWCNTs . The results showed that CoMn2O4 / MWCNTs composite catalyst had better catalytic activity than pure MWCNTs . The results showed that CoMn2O4 / MWCNTs composite catalyst had better catalytic activity than pure MWCNTs .
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM911.41;TB34

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 錢慧娟;鈣催化劑負(fù)載步驟對蒸汽氣化過程改性李殼活性炭多孔結(jié)構(gòu)的影響[J];林產(chǎn)化工通訊;1999年06期

2 魏昭彬,趙秀閣,辛勤;雙組分過渡金屬氮化物催化劑Ⅱ.催化性能[J];催化學(xué)報;2000年04期

3 張阿方;聚合物支載的有機(jī)催化劑 Ⅱ.手性有機(jī)催化劑[J];高分子通報;2005年06期

4 陳鵬;彭峰;;納米金催化劑的研究進(jìn)展[J];工業(yè)催化;2009年04期

5 陸耘，陳移山，符若文，曾漢民;以活性碳纖維為載體的催化劑對NO的催化還原作用──二．鎳系催化劑[J];離子交換與吸附;1994年01期

6 李桂花,王洪義,李銘岫;甲基丙烯醛氧化酯化制甲基丙烯酸甲酯催化劑的制備與應(yīng)用[J];應(yīng)用化學(xué);2005年07期

7 陸耘，，陳移山，符若文，曾漢民;以活性碳纖維為載體的催化劑對NO的催化還原作用──一．銅系催化劑[J];離子交換與吸附;1994年01期

8 王瑩;侯黨社;韓麗萍;馬紅竹;;釩改性催化劑的制備及表征[J];價值工程;2012年33期

9 松本英之;沈松源;;水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑的劣化和壽命預(yù)測[J];北京化工學(xué)院學(xué)報;1980年02期

10 塔娜;沈岳年;王成;張雁冰;齊和日瑪;;負(fù)載型納米金催化劑對室內(nèi)空氣中甲醛的去除[J];環(huán)境科學(xué)學(xué)報;2009年06期

相關(guān)會議論文 前10條

1 雷金化;李棟梁;周光遠(yuǎn);;多孔聚合物微球在烯烴催化劑負(fù)載中的應(yīng)用[A];中國化學(xué)會第十二屆全國應(yīng)用化學(xué)年會論文集[C];2011年

2 王京剛;王悅;康靜娜;尹世磊;;BaZrO_3催化劑的制備及負(fù)載后催化氧化NO的研究[A];2013中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集（第五卷）[C];2013年

3 趙育榕;車春霞;譚都平;;LY-C_2-02催化劑催化性能綜合分析[A];第十一屆全國青年催化學(xué)術(shù)會議論文集（上）[C];2007年

4 趙育榕;譚都平;景喜林;車春霞;;LY-C_2-02催化劑催化性能綜合分析[A];甘肅省化學(xué)會第二十五屆年會、第七屆甘肅省中學(xué)化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗交流會論文集[C];2007年

5 張思華;王亞明;繆應(yīng)菊;史曉杰;;非貴金屬銅系催化劑上氧化CO的研究進(jìn)展[A];第五屆全國工業(yè)催化技術(shù)與應(yīng)用年會論文集（下冊）[C];2008年

6 唐博;呂仁慶;項壽鶴;;納米Pd/Al_2O_3催化劑的表征及其應(yīng)用[A];中國化工學(xué)會2003年石油化工學(xué)術(shù)年會論文集[C];2003年

7 羅鴿;閆世潤;喬明華;范康年;;載體對RuSnB催化劑乳酸乙酯加氫制1,2-丙二醇性能的影響[A];中國化工學(xué)會2005年石油化工學(xué)術(shù)年會論文集[C];2005年

8 呂高明;陳獻(xiàn);湯吉海;崔咪芬;喬旭;;氯化氫氧化Ce-Cu-K/Y催化劑負(fù)載量對活性的影響及表征分析[A];第六屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會論文集[C];2009年

9 黃傳敬;金燕仙;伊?xí)詵|;翁維正;萬惠霖;;VTeO/SiO_2催化劑的激光拉曼和紫外-可見漫反射光譜研究[A];全國第13屆分子光譜學(xué)術(shù)報告會論文集[C];2004年

10 李玉龍;王剛;王斯晗;陳謙;張德順;張寶軍;;α-雙亞胺Ni(Ⅱ)催化劑的聚合反應(yīng)研究[A];2007年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集（上冊）[C];2007年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 張成麗;新型多孔碳基復(fù)合材料的制備及其在能源環(huán)境中的應(yīng)用[D];復(fù)旦大學(xué);2013年

2 劉娟;基于碳基納米材料的催化劑的設(shè)計[D];蘇州大學(xué);2015年

3 黃征;有機(jī)體系鋰空氣電池納米氧還原電催化材料的研究[D];華中科技大學(xué);2015年

4 閆新華;鎳的二亞胺催化劑催化乙烯和α-烯烴的聚合研究[D];北京化工大學(xué);2011年

5 胡宗敏;以二價金屬釕的多吡啶絡(luò)合物為催化劑催化氧化有機(jī)化合物的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

6 昌晶;多組多鈷基催化劑催化硼氫化鈉制氫技術(shù)的研究[D];青島科技大學(xué);2014年

7 歐陽李科;氫氧直接合成過氧化氫鈀基催化劑構(gòu)—效關(guān)系研究[D];華東理工大學(xué);2015年

8 邱鵬遠(yuǎn);硅膠負(fù)載型鉻系聚乙烯催化劑均相模型及其聚合機(jī)理研究[D];華東理工大學(xué);2011年

9 霍維濤;糠醛和馬來酸酐選擇性加氫催化劑的研究[D];吉林大學(xué);2013年

10 蘇碧云;新型乙烯聚合/齊聚鈷（Ⅱ）、鎳（Ⅱ）催化劑的設(shè)計合成及活性研究[D];西北大學(xué);2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 簡思平;MIL-101負(fù)載納米金屬催化劑的合成及其催化加氫應(yīng)用[D];華南理工大學(xué);2015年

2 劉廣環(huán);鐵系復(fù)合氧化物的制備及其在DMC合成中的應(yīng)用[D];河北聯(lián)合大學(xué);2014年

3 譚方關(guān);超臨界甲醇中磁性催化劑液化木質(zhì)素試驗研究[D];昆明理工大學(xué);2015年

4 史冉冉;堿性直接甲醇燃料電池陽極催化劑電化學(xué)制備及性能研究[D];鄭州大學(xué);2015年

5 肖春瑩;Cr/Na-ZSM-5催化劑的制備及其性能的研究[D];大連交通大學(xué);2015年

6 王歡;CH_4在Ni/MgAl_2O_4催化劑表面吸附及反應(yīng)的理論研究[D];山東大學(xué);2015年

7 華杰鋒;吸附相反應(yīng)技術(shù)制備CuO-MgO/SiO_2催化劑及其低溫液相合成氣制甲醇催化性能[D];浙江大學(xué);2015年

8 侯曉雪;MgO和CeO_2對Ni/olivine催化劑蒸氣轉(zhuǎn)化甲苯的催化性能的影響研究[D];鄭州大學(xué);2015年

9 翟慶輝;雜多酸（鹽）催化劑催化苯直接羥基化[D];聊城大學(xué);2015年

10 蘇行;固體酸催化劑上NH_3選擇性催化還原NO_x的研究[D];北京化工大學(xué);2015年

本文編號：2053230