鋰空氣電池二氧化錳催化劑的制備及性能研究.pdf

1、陰極催化劑是限制鋰空氣電池性能的一個決定性因素?，F(xiàn)有的高效催化劑大部分是貴金屬催化劑，其價格昂貴且儲量有限。過渡金屬氧化物價格低廉且易于制備，作為氧電極催化劑引起了廣泛關(guān)注。本文研究重點是氧化錳、氧化鈷和氧化鈷-氧化錳復(fù)合材料在中性電解液中的ORR催化性能。
　　在電化學(xué)測試中，工作電極首先選擇了空氣擴散電極，但是由于空氣擴散電極導(dǎo)電性差，且手工壓制電極的重現(xiàn)性不好，所以工作電極最終選用以催化劑修飾的玻碳電極。本文中LSV曲線在-

2、0.6V左右出現(xiàn)ORR電流峰，所以以該電位下的電流密度表征催化劑性能。
　　本文采用靜電紡絲法制備了氧化錳催化劑，并對其電催化性能進行了研究。靜電紡絲產(chǎn)物為Mn3O4，其催化性能很低，故選用水熱法制備氧化錳材料。采用水熱法制備氧化錳，以過硫酸銨為氧化劑，比較了反應(yīng)溫度分別為120℃、140℃、160℃和180℃，反應(yīng)時間分別為6h、12h和24h時產(chǎn)物的催化性能。反應(yīng)溫度為120℃時材料XRD衍射峰很低且形貌呈現(xiàn)塊狀，其余反應(yīng)溫度

3、下制備出材料均為β-MnO2納米線。在反應(yīng)溫度為140℃、反應(yīng)時間為12h時材料的催化性能最好，電流密度高達-29.07mA·cm-2。為了比較α-MnO2與β-MnO2的催化性能，以高錳酸鉀為氧化劑制備氧化錳。同樣進行反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間的選擇，不同溫度和時間條件下制備的材料均為α-MnO2納米線，隨著反應(yīng)時間的延長，材料的長度增大。在反應(yīng)溫度為120℃、反應(yīng)時間為12h時，α-MnO2催化活性最高，電流密度高達-34.50mA·cm-

4、2。以兩種材料的最佳反應(yīng)條件比較，α-MnO2的催化活性高于β-MnO2。因此，選擇以α-MnO2為基體進行Co元素的摻雜。
　　對α-MnO2摻雜之前首先研究氧化鈷的性能。以硝酸鈷為靜電紡絲液主鹽，在500℃燒結(jié)得到塊狀Co3O4，其電流密度為-1.18mA·cm-2。水熱法制備出聚合為塊狀的Co3O4，加入分散劑PVP和PEG，PEG能夠使材料分散，但是兩者都不能提高材料的催化性能。最佳反應(yīng)時間為12h，反應(yīng)溫度為120℃，電

5、流密度達到-3.74mA·cm-2。與靜電紡絲法制備的Co3O4相比水熱法制備的Co3O4電催化活性較高。以硝酸鈷為Co元素來源，采用水熱法向α-MnO2中摻雜摩爾分?jǐn)?shù)分別為2％、5%和10%的Co元素，能譜測試表明材料中Co與Mn的比例與原料摻雜比例相當(dāng)，但是復(fù)合催化劑電流密度與α-MnO2相比反而下降。直接將α-MnO2與Co3O4材料混合作為催化劑，其電流密度與α-MnO2相比也降低。本文中的摻雜和混合催化劑都沒有提高材料的催化性