新型锌-空气电池阴极催化剂的制备和研究-FDUROP-复旦大学.docVIP

新型锌-空气电池阴极催化剂 的制备和研究 张萍 复旦大学化学系 指导老师：江志裕教授 摘要：为了改善锌-空气电池空气电极的电催化性能，提高电池的放电电流密度，采用改进的无定形柠檬酸配合物前躯体法（IACP），合成了尖晶石型LiMn2O4电催化剂。用该电催化剂制备成空气扩散电极，通过稳态电流-电压极化曲线，研究了电催化剂的催化性能，并与Pt/C的电催化性能作了对比。分析结果表明，LiMn2O4的电催化性能虽不及Pt/C，但差距不大，凭借其低廉的成本和广泛的来源，有望替代Pt/C应用于商业领域；用炭黑吸收溶剂所合成的LiMn2O4具有最好的电催化活性；空气催化电极的防水透气层中，当PTFE的含量为30%，空气电极具有最好的催化活性。 关键词：锌-空气电池；阴极催化剂；LiMn2O4；IACP 前言 锌-空气电池是当前电池领域中的必威体育精装版科技,被称为是“面向21 世纪的绿色能源”。此类电池具有容量大、比能量高、成本低、放电稳定等优点，是一种具有巨大市场前景的电源[1]。锌-空气电池有如下一些显著的优点[2]： 1）、容量大。由于空气电极的活性物质氧来自周围的空气，随时可取，材料无需占用电池的空间，更无需材料成本，在相同体积、重量的情况下，锌空气电池就储存了更多的反应原料，因此与普通的电池相比，它的容量就会高出很多。 2）、能量密度高。锌-空气电池的正极活性物质来源于空气中的氧气，其正极是一种透气、不透液、能导电、有催化活性的薄膜，它在整个电池中所占的比例很小，余下的空间可以用来充填阳极材料。因此在现有的小型电池系统中具有最高的比能量。锌空气电池由于空气电极很薄，使得电池很轻巧，适用于便携式设备。 3）、价格低廉。它的成本除了空气催化电极之外，不需要任何成本高的组件，并且如果实现了锌的回收利用，它的价格功率比将进一步降低。 4）、放电曲线十分平稳。因放电时阴极催化剂本身不起变化，加上锌电极电压稳定，故放电时电压变化很小。 5）、内阻小。由于电池内部可建立一个氧的储存腔，故大电流放电和脉冲放电性能相当好。与其他电池比较，它能在很大的工作电流范围内输出要求的容量。 6）、重量轻，易于拆装维修。 7）、使用周期长，能够快速启动。 由于锌-空气电池可以长时间提供稳定的小电流，因此广泛应用于航海中的航标灯、无人观测站、无线电中继站、军事无线电发报机等，而且以锌-空气电池制成的手机电池，不仅比普遍使用的镍氢电池、锂离子电池便宜三分之二，通话时间长了5-10小时，待机时间长达四十多天。然而，由于迄今仍缺乏合适的空气扩散电极电催化剂，使锌空气电池的放电电流密度偏小，从而大大限制了锌空气电池的应用领域和产业化步伐。 在锌-空气电池中,起最重要作用的也是最影响电池性能特别是电流密度的就是空气电极的催化剂.现有的催化剂包括:贵重金属,如Pt,Ag,催化效果最好,但是非常规中稀少,不利于开发为成品电池；含四个N的过渡金属螯合物作为催化剂，电池放电特性好，电压高，但电流很小，只适合用于助听器等小电器；金属氧化物，如MnO2，价格便宜，但是催化效果不好，且电流密度小；必威体育精装版报道的尖晶石型、钙钛石型等复合金属氧化物,由于具有较高的催化活性且价格便宜可能会成为新的替代品[3]。尖晶石型LiMn2O4材料由于具有很好的电催化活性，被认为是一种很有前景的新型电催化材料[4]。其制备方法有很多种，例如固相反应法、离子交换法、动态过程法、溶胶-凝胶法等；为了提高电催化活性，采用改进的无定形柠檬酸配合物前躯体法(IACP) [4]，成功合成出了尖晶石型LiMn2O4，并将其制备成了空气扩散电极，用稳态电流-电压极化曲线考察了LiMn2O4电催化记得电催化活性。 实验部分 2.1 试剂和仪器 2.1.1 试剂 硝酸锂 （ LiNO3） 分析纯(A. R.) 硝酸锰溶液50%（ Mn(NO3)2） 分析纯(A. R.) 柠檬酸（C6H8O7·H2O） 分析纯(A. R.) 无水乙醇(C2H5OH) 分析纯(A. R) 氯铂酸 （H2PtCl6·6H2O） 分析纯(A. R) 硼氢化钠 （NaBH4） 分析纯(A. R) 盐酸 6mol/L 40目镍网 氨水28% （NH3·H2O） 分析纯(A. R.) PTFE乳液 60% 工业级 炭黑 乙炔 碳细 2.1.2 仪器 真空干燥箱 上海实验仪器总厂，使用温度：室温-200(C，真空度0.1Pa SK-2-10管式炉 额定功率 2KW 额定温