钙钛矿型锰酸盐电催化剂制备和电化学性能研究
发布时间：2020-11-20 18:43
金属-空气电池具有高能量密度、低成本、安全性强以及环境友好的特点,有望应用到新兴电动汽车和能量储存方面。金属-空气电池一般使用Pt作为阴极氧还原电催化剂,但Pt作为贵金属催化剂价格昂贵且稳定性差,这两方面不足严重影响了金属-空气电池的实际应用。近年来,研究发现钙钛矿氧化物具有催化活性高、种类多、成本低等优点,有望取代Pt成为金属-空气电池的氧还原电催化剂。已有研究表明La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-δ)具有优异的氧还原催化活性,但实际制备的催化剂材料比表面积小、催化活性不够高,需要通过先进制备方法来获得高比表面积以及多活性位的钙钛矿型电催化剂。本文采用聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl pyrrolidone,PVP)作为络合剂的溶胶凝胶法以及静电纺丝技术分别制备出层状多孔(La_(0.8)Sr_(0.2))_(0.95)MnO_(3-δ)和一维多孔La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-δ)纳米棒氧还原电催化剂。具体的研究内容及结果如下:(1)本研究使用PVP作为络合剂的溶胶凝胶法在中低温条件下成功制备出层状多孔(La_(0.8)Sr_(0.2))_(0.95)MnO_(3-δ)催化剂,发现600℃为最佳焙烧温度。600℃焙烧后的层状多孔(La_(0.8)Sr_(0.2))_(0.95)MnO_(3-δ)催化剂的比表面积大(15.99 m~2 g~(-1)),氧还原(Oxygen reduction reaction,ORR)催化活性高(1600 rpm转速下起始电位为~0.90V,极限电流密度达到~5.61 m A cm~(-2)),电荷储存性能良好(10 m V s~(-1)扫描速度下,比电容为101.19 F g~(-1))。本研究获得的层状多孔(La_(0.8)Sr_(0.2))_(0.95)MnO_(3-δ)催化剂不仅能作为优异的金属-空气电池用氧还原电催化剂,也能应用到超级电容器。(2)本研究利用静电纺丝技术在中低温(650℃)条件下成功制备出一维多孔La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-δ)纳米棒。一维多孔La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-δ)纳米棒的比表面积比传统溶胶凝胶法制备的催化剂高出9倍(30.27 m~2 g~(-1)),ORR催化活性优异(1600 rpm转速下起始电位为~0.91 V,极限电流密度达到~5.62 mA cm~(-2),即使不添加碳粉作为导电剂和分散剂,极限电流密度也能达到~5.07 mA cm~(-2))。经过1000圈循环伏安测试,ORR催化活性几乎没有下降,展现出了较好的稳定性。本研究制备获得的催化剂解决了传统方法制备的La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3-δ)催化剂比表面积小、ORR催化活性不够高的问题,有望取代Pt成为空气电池的氧还原电催化剂。综上所述,本论文通过改进钙钛矿型锰酸盐的制备方法获得了两种性能优异的ORR催化剂,为开发面向应用的高效且稳定的ORR催化剂提供了有价值的方法和思路。
【学位单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TM911.41
【部分图文】：
1.1 引言世界正面临着人口过多、资源短缺、环境污染等多方面的问题，而能源问题是二十一世纪社会可持续发展最重要的问题之一[1, 2]。如何对能源进行合理开发和有效利用关系到全世界的未来。传统能源资源作为支持社会发展的核心被过度消耗，因此大力开发和利用新能源和可再生能源，减少化石能源的使用或将它们高效率转换利用成为当今社会的要务。据预测不久的将来，随着石油和天然气等传统能源逐渐枯竭，一系列新能源和可再生能源将得到迅速发展[3]。目前可持续能源（如太阳能、风能、水力能）的利用已经获得了世界各地专家学者的关注[4]。然而这些可再生能源一直受制于间歇供应和区域差异，难以在能源系统中大规模应用。为了解决这些问题，电化学能量储存和转换技术，例如金属-空气电池（Metal-air Battery）、燃料电池（Fuel Cell）和电解水（Water Splitting），成为了科学界的研究热点[1-4]。
阻碍了燃料在 Pt 上的进一步氧化，导致电池的效率降低属-空气电池金属-空气电池简介属-空气电池具有高能量密度、低成本、安全性强以及环境友好的于插电式混合动力汽车、电动汽车和智能电网[16]。如图 1-2 所示，池主要由三个部分组成，分别为金属阳极、电解液和空气电极[17部分隔开，是一种只允许离子通过的绝缘体。金属-空气电池在放属阳极发生氧化反应变成金属离子，氧气在空气电极区域发生氧还gen reduction reaction，ORR）。在充电过程中，金属离子发生还原属极，在空气极发生氧析出反应（Oxygen evolution reaction，OE电池具有开放式的电池结构，可以使用空气作为反应物，因而相具有比电容高的优点[13, 17, 18]。
暨南大学硕士学位论文1.3.3 空气电极如图 1-3（a）所示，在水性电解质的空气电池中，ORR 主要发生在空气、液体电解质和固体催化剂之间的三相接触区域[22]。催化剂层必须保证两点，首先空气可以有效扩散到电极中的三相界面上，其次电解质能被吸附在催化剂表面且不能随着气体渗漏。因此催化剂层一般采用电解质侧亲水，气体侧疏水的结构而非水性电解质与水性电解质有所不同[23]。图 1-3（b）是使用有机电解质的锂空气电池示意图，放电产物（Li2O2或 Li2O）不溶于电解质，沉积在催化剂表面，阻止空气继续向内扩散。只有溶解在电解质中的氧能参与 ORR，因而反应只发生在电解质与催化剂两相界面处。图 1-3（c）展示了由氧透膜，气体扩散层和用金属网支撑的催化剂层组成的空气电极结构模型。其中催化剂层如图 1-3（d）所示，所用催化剂一般是大孔或中孔颗粒，颗粒间的空隙被电解质完全润湿[22]。
【参考文献】
本文编号：2891828
【学位单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TM911.41
【部分图文】：
1.1 引言世界正面临着人口过多、资源短缺、环境污染等多方面的问题，而能源问题是二十一世纪社会可持续发展最重要的问题之一[1, 2]。如何对能源进行合理开发和有效利用关系到全世界的未来。传统能源资源作为支持社会发展的核心被过度消耗，因此大力开发和利用新能源和可再生能源，减少化石能源的使用或将它们高效率转换利用成为当今社会的要务。据预测不久的将来，随着石油和天然气等传统能源逐渐枯竭，一系列新能源和可再生能源将得到迅速发展[3]。目前可持续能源（如太阳能、风能、水力能）的利用已经获得了世界各地专家学者的关注[4]。然而这些可再生能源一直受制于间歇供应和区域差异，难以在能源系统中大规模应用。为了解决这些问题，电化学能量储存和转换技术，例如金属-空气电池（Metal-air Battery）、燃料电池（Fuel Cell）和电解水（Water Splitting），成为了科学界的研究热点[1-4]。
阻碍了燃料在 Pt 上的进一步氧化，导致电池的效率降低属-空气电池金属-空气电池简介属-空气电池具有高能量密度、低成本、安全性强以及环境友好的于插电式混合动力汽车、电动汽车和智能电网[16]。如图 1-2 所示，池主要由三个部分组成，分别为金属阳极、电解液和空气电极[17部分隔开，是一种只允许离子通过的绝缘体。金属-空气电池在放属阳极发生氧化反应变成金属离子，氧气在空气电极区域发生氧还gen reduction reaction，ORR）。在充电过程中，金属离子发生还原属极，在空气极发生氧析出反应（Oxygen evolution reaction，OE电池具有开放式的电池结构，可以使用空气作为反应物，因而相具有比电容高的优点[13, 17, 18]。
暨南大学硕士学位论文1.3.3 空气电极如图 1-3（a）所示，在水性电解质的空气电池中，ORR 主要发生在空气、液体电解质和固体催化剂之间的三相接触区域[22]。催化剂层必须保证两点，首先空气可以有效扩散到电极中的三相界面上，其次电解质能被吸附在催化剂表面且不能随着气体渗漏。因此催化剂层一般采用电解质侧亲水，气体侧疏水的结构而非水性电解质与水性电解质有所不同[23]。图 1-3（b）是使用有机电解质的锂空气电池示意图，放电产物（Li2O2或 Li2O）不溶于电解质，沉积在催化剂表面，阻止空气继续向内扩散。只有溶解在电解质中的氧能参与 ORR，因而反应只发生在电解质与催化剂两相界面处。图 1-3（c）展示了由氧透膜，气体扩散层和用金属网支撑的催化剂层组成的空气电极结构模型。其中催化剂层如图 1-3（d）所示，所用催化剂一般是大孔或中孔颗粒，颗粒间的空隙被电解质完全润湿[22]。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 庄全超;徐守冬;邱祥云;崔永丽;方亮;孙世刚;;锂离子电池的电化学阻抗谱分析[J];化学进展;2010年06期
本文编号：2891828
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/2891828.html
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