改性二氧化钛在锂空气电池中的催化机理与应用研究

发布时间：2017-08-13 08:35

  本文关键词：改性二氧化钛在锂空气电池中的催化机理与应用研究

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【摘要】：锂空气电池的理论比能量在充电状态时(忽略氧气的质量)高达11140 W·h·kg-1,而在放电状态(包含氧气的质量)时则达到3458 W·h·kg-1,有望成为运用于电动汽车的新一代高能电池。锂空气电池的种类根据电解质的不同主要分为水性、有机、固态以及混合体系,其中有机电解液体系锂空气电池在经过Abraham和Jiang的研究后成为了现今的研究热点。虽然锂空气电池发展潜力惊人,但是目前离其实用化、商业化生产仍有几个关键问题难以解决,其中的关键问题之一在于氧气在空气正极上的还原(ORR)与析出(OER)过程受阻,导致电池的充放电性能以及循环寿命难以达到预期。因此,于空气正极中加入合适的催化剂以提升ORR和OER的动力学过程,是普遍认可的提升锂空气电池综合性能的有效途径。目前锂空气电池中的常用催化剂为碳材料、贵金属、钙钛矿以及过渡金属氧化物等,其中过渡金属氧化物以其低廉高效的特性成为了最具发展潜力的催化剂。故本实验以二氧化钛(TiO_2)为研究起点,通过对其进行改性并运用与锂空气电池中,研究其对电池ORR和OER过程的催化效果。首先,利用简单的高温处理方法对TiO_2进行改性,使其表面产生氧空位,利用氧空位增加O2在TiO_2表面的吸附,同时降低O2还原所需的活化能,进而提升电池放电反应的ORR速率。本实验利用多种表征手段证明了改性TiO_2中氧空位的存在,同时也通过实验得出,TiO_2本身就具有较强的ORR催化能力,氧空位的存在使得TiO_2对ORR过程的催化作用得到进一步加强,具体表现在电池性能上则为放电比容量在0.3和0.5 mA·cm-2电流密度下分别提升了39%和75%。在循环寿命方面,改性TiO_2将电池的循环寿命提升到了400次以上,是在原有基础上的重大突破。经分析,改性TiO_2催化效果的提升在于氧空位的存在,氧空位为ORR过程提供更多的反应活性位点,有利于O2在其表面吸附与还原,同时有利于Li+和电子在其表面的传输,因而大大提升了电池的循环稳定性。其次,为了进一步提升TiO_2的催化效果,实验制备了具有纳米片结构的Mn掺杂的TiO_2,并研究了其双功能催化效果(ORR和OER)。研究表明,材料特殊的表面形貌与Mn掺杂产生的结构改变能起到协同催化效应,一方面,纳米片状的结构显著增加了催化剂的活性表面,同时纳米片状结构有利于O2的传输与Li2O2的储存,提升了ORR过程;另一方面,Mn的掺杂使得TiO_2转变为P型半导体,改变了TiO_2原有的导电机制,其中导电空穴的存在有利于捕获电子,加速放电产物Li2O2的分解,从而提升电池的OER过程。CV测试表明,Mn掺杂TiO_2催化剂能够增大ORR的起始电位和减小OER的起始电位,而在锂空气电池在充放电测试过程中则显著地降低了电池的充放电过电压,使得锂空气电池的稳定性得以提升,说明Mn掺杂TiO_2纳米片具有良好的双功能催化作用。综上所示,本实验制备了两种改性TiO_2催化剂,并系统地研究了其在锂空气电池中的催化机理,为应用于锂空气电池领域的催化剂研究提供了重要的探索经验。
【关键词】：二氧化钛 氧空位 掺杂 催化剂 锂空气电池
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.41
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-24
• 1.1 锂空气电池研究背景与意义9-10
• 1.2 有机电解液体系锂空气电池的基本原理10-13
• 1.3 锂空气电池面临的关键性问题以及解决方案13-14
• 1.4 国内外对锂空气电池催化剂的最新研究现状及发展趋势14-19
• 1.4.1 碳材料催化剂14-15
• 1.4.2 贵金属及其氧化物催化剂15
• 1.4.3 过渡金属氧化物催化剂15-17
• 1.4.4 钙钛矿催化剂17-18
• 1.4.5 可溶性催化剂18-19
• 1.5 TiO_2催化剂在锂空气电池中的研究现状19-21
• 1.6 本文的选题依据、研究内容及创新点21-24
• 1.6.1 本文的选题依据21-22
• 1.6.2 本文的研究内容22-23
• 1.6.3 本文的创新点23-24
• 第二章 实验材料和仪器24-29
• 2.1 实验原料24-25
• 2.2 实验仪器25-26
• 2.3 材料表征26-27
• 2.3.1 X射线衍射(XRD)晶体结构分析26
• 2.3.2 场发射扫描电子显微镜(SEM)分析26
• 2.3.3 能谱分析(EDS)26
• 2.3.4 拉曼光谱(Raman)测试分析26-27
• 2.3.5 X射线光电子能谱(XPS)测试27
• 2.3.6 比表面积(BET)测试27
• 2.4 电化学性能测试27-29
• 2.4.1 循环伏安法测试(CV)27
• 2.4.2 电化学交流阻抗(EIS)测试27-28
• 2.4.3 恒流充放电测试28-29
• 第三章 高温处理改性二氧化钛在锂空气电池中的催化性能研究及机理分析29-49
• 3.1 引言29-31
• 3.2 实验部分31-33
• 3.2.1 高温处理改性二氧化钛的制备31
• 3.2.2 锂空气电池空气正极的制备及电池的组装31-32
• 3.2.3 材料性能表征及电化学测试32-33
• 3.3 结果与讨论33-47
• 3.3.1 二氧化钛催化剂的材料结构表征33-38
• 3.3.2 二氧化钛催化剂的电化学催化性能测试与机理分析38-43
• 3.3.3 锂空气电池循环性能及产物分析43-47
• 3.4 本章小结47-49
• 第四章 锰掺杂改性二氧化钛纳米片在锂空气电池中的催化性能研究及机理分析49-71
• 4.1 引言49-51
• 4.2 实验部分51-53
• 4.2.1 锰掺杂改性二氧化钛纳米片的制备51-52
• 4.2.2 锂空气电池空气正极的制备及电池的组装52
• 4.2.3 材料性能表征及电化学测试52-53
• 4.3 结果与讨论53-69
• 4.3.1 TiO_2 PS、TiO_2 NS和Mn-TiO_2 NS的材料结构表征53-61
• 4.3.2 TiO_2 PS、TiO_2 NS和Mn-TiO_2 NS的电化学催化性能测试与机理分析61-69
• 4.4 本章小结69-71
• 第五章 结论与展望71-73
• 5.1 结论71-72
• 5.2 展望72-73
• 参考文献73-84
• 致谢84-85
• 攻读硕士学位期间的研究成果85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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本文编号：666383