新型高效氧电极催化剂的研究与评价

论文摘要

燃料电池与金属-空气电池由于具有清洁、高效、可连续大功率放电的特殊性能而受到人们广泛的关注。氧电极是燃料电池和金属-空气电池中的阴极,在控制电池性能方面有很重要的作用。对H2-O2燃料电池,即使在电流密度高达2A/cm2,氢电极的过电位也不会超过50mV。而O2电极即使在小电流密度下,过电位也达300～400mV。同样地,氧电极也是金属-空气电池中决定其性能优劣的关键因素。用于氧电极的催化剂的研究一直是制约氧电极技术发展的关键因素。在寻求具有高效的催化性与低廉的成本的氧还原反应（ORR）的催化剂的过程中,人们除开发出先进的贵金属及合金催化剂制造技术外,还开发了大量的用于ORR的过渡金属复合氧化物,但是均不理想,如应用较广泛的几种催化剂中,铂虽然催化性能较好,但成本过高,而廉价的MnO2催化剂材料对氧还原虽有一定的催化活性,但多为微米级粉料,且性能也不十分好。本课题采用了两种新颖,简易的制备方法——液相合成法和固相热压法制备了锰的复合氧化物催化剂来作为氧电极催化剂,采用XRD对本课题所制备的催化剂材料进行了晶型结构表征,并通过开路电位-时间,线性伏安扫描、稳态极化、循环伏安、交流阻抗等测试手段,研究了催化剂材料在酸性、碱性、中性以及微酸性电解质溶液中的催化性能,并将其与国外现有研究成果进行了比较,考察了催化剂材料的应用前景。结果表明两种方法制得的催化剂材料的主要成分均为Mn3O4,分析其在不同的制备方法下可能含有其他的不同的锰的氧化物。其中,液相合成法制得的催化剂材料在酸性电解质溶液中具有较好的催化活性,初步表现出较高的研究价值;而固相热压法制得的催化剂材料在碱性电解质溶液中具有非常好的催化活性,甚至远远超过了现有催化剂研究成果的催化活性;且固相热压法制得的催化剂材料在碱性介质中的电催化活性要大于在其他介质中的催化活性,表明该催化剂材料在碱性电解液和其他电解质溶液中催化氧还原的机理是不同的。总之,本课题所制得的催化剂材料表现出了良好的发展前景,具有很高的研究价值,可从制备工艺的优化和材料的掺杂改性等研究方向去进一步改进催化剂材料的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属-空气电池的研究概况
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 金属-空气电池的工作原理
• 1.2.3 几种主要的金属-空气电池的概况
• 1.2.3.1 铝空气电池
• 1.2.3.2 锌空气电池
• 1.2.3.3 镁空气电池
• 1.2.3.4 铁空气电池
• 1.2.4 金属-空气电池的发展趋势
• 1.3 燃料电池的研究概况
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 几种主要的燃料电池概况
• 1.3.2.1 碱性燃料电池
• 1.3.2.2 磷酸型燃料电池
• 1.3.2.3 氢氧燃料电池
• 1.3.2.4 质子交换膜型燃料电池
• 1.3.3 燃料电池氧电极催化剂的现状
• 1.4 氧电极催化剂的研究概况
• 1.4.1 氧电极的电催化还原反应机理
• 1.4.2 空气电极催化剂的组成
• 1.4.2.1 贵金属催化剂
• 1.4.2.2 钙钛矿型氧化物催化剂
• 1.4.2.3 金属有机螯合物催化剂
• 1.4.2.4 新型催化剂
• 1.4.2.5 廉价催化剂
• 1.5 本课题的研究内容
• 1.6 本课题的研究目的及意义
• 第二章 实验药品、设备、原理及研究方法
• 2.1 实验药品及设备
• 2.2 实验原理
• 2.3 待测三电极体系的制备
• 2.3.1 催化剂材料的制备
• 2.3.1.1 催化剂制备原料的选取
• 2.3.1.2 黏结剂的选取
• 2.3.1.3 催化剂材料的制备方法
• 2.3.2 待测电极的制备
• 2.3.2.1 防水层的制备
• 2.3.2.2 导电骨架的选取
• 2.3.2.3 待测电极的组装
• 2.3.3 辅助电极的制备
• 2.3.3.1 酸性电解液中辅助电极的制备步骤
• 2.3.3.2 中、碱性及微酸性电解液中辅助电极的选取
• 2.3.4 参比电极的选择
• 2.3.5 测试用电解槽的制备
• 2.3.6 三电极体系的组装
• 2.4 实验用三电极体系的测试方法
• 2.4.1 三电极体系的电位-时间测试
• 2.4.2 三电极体系的线性伏安扫描测试
• 2.4.3 三电极体系的稳态阴极极化曲线测试
• 2.4.4 三电极体系的交流阻抗测试
• 2.4.5 三电极体系的循环伏安测试
• 2.4.6 催化剂材料的X射线衍射测试
• 第三章 液相合成法制备锰的复合氧化物催化剂的研究
• 3.1 液相合成法的原理
• 3.2 在酸性电解质溶液中的性能研究
• 3.2.1 开路电位-时间的测试与分析
• 3.2.2 循环伏安的测试与分析
• 3.2.3 掺杂改性后的催化剂材料的性能研究
• 3.3 不同酸性电解质溶液对催化剂性能的影响
• 3.4 在中碱性电解质溶液中的性能研究
• 3.5 催化剂材料的可逆性的研究
• 3.6 催化剂材料的X射线衍射测试
• 3.7 本章小结
• 第四章 固相热压法制备锰的复合氧化物催化剂的研究
• 4.1 固相热压法的原理
• 4.2 在碱性电解质溶液中的性能测试
• 4.2.1 电位-时间曲线的测试与分析
• 4.2.2 线性伏安扫描曲线的测试与分析
• 4.2.3 循环伏安曲线的测试与分析
• 4.2.4 交流阻抗曲线的测试与分析
• 4.2.5 稳态阴极极化曲线的测试与分析
• 4.2.5.1 氧电极氧气浓度对催化剂性能的影响
• 4.2.5.2 温度对催化剂材料的影响
• 4.2.6 碳酸化对催化剂性能的影响
• 4.2.7 催化剂材料的可逆性的研究
• 4.3 在中性电解质溶液中的性能研究
• 4.3.1 电位-时间曲线的测试与分析
• 4.3.2 线性伏安扫描曲线的测试与分析
• 4.3.3 循环伏安曲线的测试与分析
• 4.3.4 交流阻抗曲线的测试与分析
• 4.3.5 稳态极化曲线的测试与分析
• 4.3.6 温度对催化剂材料的影响
• 4.3.7 催化剂材料的可逆性的研究
• 4.3.8 催化剂在中性和碱性溶液中的性能比较与分析
• 4.4 在不同种类微酸性电解质溶液中的性能研究
• 4.4.1 电位-时间曲线的测试与分析
• 4.4.2 线性伏安扫描曲线的测试与分析
• 4.4.3 循环伏安曲线的测试与分析
• 4.4.4 交流阻抗曲线的测试与分析
• 4.4.5 催化剂材料可逆性的研究
• 4.5 在酸性电解质溶液中的性能研究
• 4.6 催化剂材料的X射线衍射测试
• 4.7 本章小结
• 第五章 本课题催化剂与现有催化剂成果的性能比较
• 5.1 液相合成法制得催化剂与现有催化剂研究成果的比较
• 5.2 固相热压法制得催化剂与现有催化剂研究成果的比较
• 5.2.1 空气电极极化特性的比较
• 5.2.1.1 空气气氛中的氧电极阴极极化曲线比较
• 5.2.1.2 氧气气氛中的氧电极阴极极化曲线比较
• 5.2.2 空气电极的寿命比较
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢