锰氧化物晶面效应对电化学氧还原/氧析出的性能研究
发布时间：2022-01-02 14:10
随着全球变暖和石油资源枯竭问题的日益严重,我们面临着环境和能源的巨大挑战。为了满足全球的能源需求,具有清洁绿色能源的金属空气电池被认为是具有潜力的储能装置之一。然而空气电极发生的氧还原（ORR）和氧析出（OER）反应动力学过程特别缓慢,需要电催化剂来提高其效率,这是限制金属-空气电池进一步发展的关键因素。虽然铂、钌等贵金属是ORR/OER的优异催化剂,但其高昂的价格限制了催化剂的应用。而锰氧化物催化剂由于具有成本低,丰富的资源和较高的电催化活性一直备受关注,但其催化性能有待进一步提高。基于此,本文重点在于设计具有独特结构的锰氧化物,通过Ag的修饰以及NiO的负载增加活性位点,提高催化剂的电化学性能,如下是主要研究内容:（1）用简单的水热法合成了具有立方和八面体独特结构的Mn2O3,研究了催化剂的不同晶面与电化学性能之间的关系。电化学研究结果表明,立方结构的Mn2O3具有比八面体结构Mn2O3较好的ORR和OER活性,这是由于立方Mn2...
【文章来源】：山西师范大学山西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属氧化物阳极氧析出反应的示意图[21]
绪论5化。到目前为止，用于氧电极反应的高效电催化剂主要是贵金属催化剂，但它们的稀缺性，成本高以及较差的稳定性使它们不能大规模地应用，图1-3是催化OER和ORR的贵金属及其合金催化剂[22]。众所周知双功能电极是用于开发可充电金属空气电池的先决条件，因此需要付出相当大的努力来探索ORR和OER催化剂，这是实现金属空气电池商业化目标的核心，目前主要研究的ORR/OER催化剂介绍如下：Fig.1-3PreciousmetalanditsalloycatalystforcatalyzingORRandOER[22]图1-3催化ORR和OER的贵金属及其合金[22]1.3.1贵金属催化剂一、ORR贵金属催化剂石油和化石燃料造成的环境污染促进了能量储存和转换系统的发展[23]，由于氧电极反应在能源转换和存储系统中发挥着必不可少的作用，因此我们要设计出能促进氧电极反应的有效电催化剂。具有良好导电性和耐腐蚀性的贵金属广泛应用于各个领域，尤其是催化剂行业。迄今为止，Pt和Pt基材料被认为是ORR最优异的催化剂，然而，实际的大规模应用仍然受到内在缺点的阻碍，如稀缺性，成本过高和稳定性差等[24]。考虑到这一点，探索具有高效率且经济实惠的高性能电催化剂是未来能源的首要任务，那么人们研究的重点就在于如何减少成本提高Pt基贵金属的催化性能，目前已提出了许多策略用于改善ORR的性能，其详细具体的内容介绍如下：（1）Pt基复合材料碳负载铂的复合材料是广泛使用的阴极催化剂，碳材料由于耐久性高，较高的导电
绪论7作用，能显著改善其催化活性。Pd因高的催化性能和稳定性而引起了人们的关注，已有报道具有树枝状的Pd-Ir双金属纳米结构显示出高的OER催化活性和耐久性[33]。第二种途径是使用导电材料如炭黑、石墨烯和碳纳米管作为IrO2催化剂的载体以增加表面积并抑制催化剂的聚集，从而改善催化剂的OER活性。已报道[34]的IrO2/CNT催化剂在硫酸溶液中显示出较高的OER活性和耐久性，成为了电解水的潜在催化剂之一。第三种途径是开发新型的非贵金属催化剂，添加诸如SnO2，TiO2，Co3O4等掺杂剂，不仅可以获得具有高活性和稳定性的材料，而且还能降低电催化剂的负载，这是节约成本和增强活性的可行途径[35]。Fig.1-4VolcanicrelationshipbetweentheoreticaloverpotentialandstandardfreeenergyofOERonvariousoxides[32]图1-4各种氧化物上的OER的理论过电势与标准自由能之间的火山型关系[32]1.3.2金属氧化物催化剂众所周知，具有不同纳米结构的过渡金属氧化物TMO因价格低、活性高和稳定性好而引起了人们的广泛关注。目前用于提高TMO性能常用的方法如图1-5所示[36]。在这里我们主要研究的是TMO纳米结构中的表面缺陷如氧空位和晶面，用于探索电极材料对电化学性能的影响。纳米级的缺陷既可以促进电荷传输动力学，又能保持电极材料结构的完整性，从而增强电化学活性，而不同表面原子的排列和分布，晶面取向的程度
【参考文献】：
期刊论文
[1]MnO/N—C anode materials for lithium-ion batteries prepared by cotton-templated combustion synthesis[J]. Cheng-Gong Han,Chunyu Zhu,Yoshitaka Aoki,Hiroki Habazaki,Tomohiro Akiyama. Green Energy & Environment. 2017(04)
[2]金属-空气电池阴极双功能催化剂研究进展[J]. 王亚,来庆学,朱军杰,梁彦瑜. 化学研究. 2017(01)
[3]Mn3O4微球的制备及其对高氯酸铵热分解的催化作用[J]. 李露明,李兆乾,马拥军,裴重华. 含能材料. 2014(06)
[4]银溶胶的制备、表征及应用[J]. 赵平平,廉波,张雪. 牡丹江师范学院学报(自然科学版). 2014(03)
[5]Facile Preparation of Mn2O3 Nanowires by Thermal Decomposition of MnCO3[J]. WANG Hong-zhe1,2, ZHAO Hui-ling2, LIU Bing2, ZHANG Xing-tang2, DU Zu-liang2 and YANG Wen-sheng1 1. Key Laboratory of Surface and Interface Chemistry of Jilin Province, College of Chemistry, Jilin University, Changchun 130012, P. R. China; 2. Key Laboratory for Special Functional Materials of Ministry of Education, Henan University, Kaifeng 475004, P. R. China. Chemical Research in Chinese Universities. 2010(01)
[6]MnO2上氧气第一个电子转移步骤的从头计算研究[J]. 李莉,魏子栋,李兰兰,孙才新. 化学学报. 2006(04)
博士论文
[1]纳米尖晶石/钙钛矿型氧化物的制备及电催化性能研究[D]. 司聪慧.山东大学 2017
[2]碱性氧电极非铂催化剂的研究[D]. 杨翠霞.武汉大学 2015
硕士论文
[1]Ag修饰石墨烯基钙钛矿的制备及氧还原催化性能研究[D]. 石丽娜.燕山大学 2016
本文编号：3564317
【文章来源】：山西师范大学山西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属氧化物阳极氧析出反应的示意图[21]
绪论5化。到目前为止，用于氧电极反应的高效电催化剂主要是贵金属催化剂，但它们的稀缺性，成本高以及较差的稳定性使它们不能大规模地应用，图1-3是催化OER和ORR的贵金属及其合金催化剂[22]。众所周知双功能电极是用于开发可充电金属空气电池的先决条件，因此需要付出相当大的努力来探索ORR和OER催化剂，这是实现金属空气电池商业化目标的核心，目前主要研究的ORR/OER催化剂介绍如下：Fig.1-3PreciousmetalanditsalloycatalystforcatalyzingORRandOER[22]图1-3催化ORR和OER的贵金属及其合金[22]1.3.1贵金属催化剂一、ORR贵金属催化剂石油和化石燃料造成的环境污染促进了能量储存和转换系统的发展[23]，由于氧电极反应在能源转换和存储系统中发挥着必不可少的作用，因此我们要设计出能促进氧电极反应的有效电催化剂。具有良好导电性和耐腐蚀性的贵金属广泛应用于各个领域，尤其是催化剂行业。迄今为止，Pt和Pt基材料被认为是ORR最优异的催化剂，然而，实际的大规模应用仍然受到内在缺点的阻碍，如稀缺性，成本过高和稳定性差等[24]。考虑到这一点，探索具有高效率且经济实惠的高性能电催化剂是未来能源的首要任务，那么人们研究的重点就在于如何减少成本提高Pt基贵金属的催化性能，目前已提出了许多策略用于改善ORR的性能，其详细具体的内容介绍如下：（1）Pt基复合材料碳负载铂的复合材料是广泛使用的阴极催化剂，碳材料由于耐久性高，较高的导电
绪论7作用，能显著改善其催化活性。Pd因高的催化性能和稳定性而引起了人们的关注，已有报道具有树枝状的Pd-Ir双金属纳米结构显示出高的OER催化活性和耐久性[33]。第二种途径是使用导电材料如炭黑、石墨烯和碳纳米管作为IrO2催化剂的载体以增加表面积并抑制催化剂的聚集，从而改善催化剂的OER活性。已报道[34]的IrO2/CNT催化剂在硫酸溶液中显示出较高的OER活性和耐久性，成为了电解水的潜在催化剂之一。第三种途径是开发新型的非贵金属催化剂，添加诸如SnO2，TiO2，Co3O4等掺杂剂，不仅可以获得具有高活性和稳定性的材料，而且还能降低电催化剂的负载，这是节约成本和增强活性的可行途径[35]。Fig.1-4VolcanicrelationshipbetweentheoreticaloverpotentialandstandardfreeenergyofOERonvariousoxides[32]图1-4各种氧化物上的OER的理论过电势与标准自由能之间的火山型关系[32]1.3.2金属氧化物催化剂众所周知，具有不同纳米结构的过渡金属氧化物TMO因价格低、活性高和稳定性好而引起了人们的广泛关注。目前用于提高TMO性能常用的方法如图1-5所示[36]。在这里我们主要研究的是TMO纳米结构中的表面缺陷如氧空位和晶面，用于探索电极材料对电化学性能的影响。纳米级的缺陷既可以促进电荷传输动力学，又能保持电极材料结构的完整性，从而增强电化学活性，而不同表面原子的排列和分布，晶面取向的程度
【参考文献】：
期刊论文
[1]MnO/N—C anode materials for lithium-ion batteries prepared by cotton-templated combustion synthesis[J]. Cheng-Gong Han,Chunyu Zhu,Yoshitaka Aoki,Hiroki Habazaki,Tomohiro Akiyama. Green Energy & Environment. 2017(04)
[2]金属-空气电池阴极双功能催化剂研究进展[J]. 王亚,来庆学,朱军杰,梁彦瑜. 化学研究. 2017(01)
[3]Mn3O4微球的制备及其对高氯酸铵热分解的催化作用[J]. 李露明,李兆乾,马拥军,裴重华. 含能材料. 2014(06)
[4]银溶胶的制备、表征及应用[J]. 赵平平,廉波,张雪. 牡丹江师范学院学报(自然科学版). 2014(03)
[5]Facile Preparation of Mn2O3 Nanowires by Thermal Decomposition of MnCO3[J]. WANG Hong-zhe1,2, ZHAO Hui-ling2, LIU Bing2, ZHANG Xing-tang2, DU Zu-liang2 and YANG Wen-sheng1 1. Key Laboratory of Surface and Interface Chemistry of Jilin Province, College of Chemistry, Jilin University, Changchun 130012, P. R. China; 2. Key Laboratory for Special Functional Materials of Ministry of Education, Henan University, Kaifeng 475004, P. R. China. Chemical Research in Chinese Universities. 2010(01)
[6]MnO2上氧气第一个电子转移步骤的从头计算研究[J]. 李莉,魏子栋,李兰兰,孙才新. 化学学报. 2006(04)
博士论文
[1]纳米尖晶石/钙钛矿型氧化物的制备及电催化性能研究[D]. 司聪慧.山东大学 2017
[2]碱性氧电极非铂催化剂的研究[D]. 杨翠霞.武汉大学 2015
硕士论文
[1]Ag修饰石墨烯基钙钛矿的制备及氧还原催化性能研究[D]. 石丽娜.燕山大学 2016
本文编号：3564317
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