论文部分内容阅读
近年来,环境污染和能源危机日益加剧,使得人类越来越重视绿色能源的研发,将使用绿色能源的电动汽车代替传统的燃料汽车能够大大减少环境污染、缓解能源危机。然而目前常规的电源体系,如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等都很难支持电动汽车的远距离行驶,因此有着较高理论比能量的锂氧电池被认为是适用于新一代电动汽车的电源体系。不过在研究中发现锂氧电池仍然存在诸多阻碍其商业化进程的问题,如非水电解液体系中放电产物堆积在空气电极中堵塞氧气扩散通道导致放电终止、充电过程中需要分解具有很强离子键的放电产物致使电池循环效率偏低等。因此寻找有效的氧还原（ORR）和氧析出（OER）催化剂加速电化学反应动力学、促进空气电极的稳定性对于锂氧电池的实际应用具有十分重要的现实意义。本文通过溶剂热的方法制备了锰基金属有机框架材料（Mn-MOFs）、钴基金属有机框架材料（Co-MOFs）、锰钴复合基金属有机框架材料（Mn/Co-MOFs）及锰镍复合基金属有机框架材料（Mn/Ni-MOFs）,分析以上材料作为催化剂对锂氧电池电化学性能的影响。锰基金属有机框架材料（Mn-MOFs）,选择乙酸锰和对苯二甲酸两种配体,在摩尔比为1.2:1、1.3:1、1.5:1的条件下,使用溶剂热的方法在80℃下制备合成,作为锂氧电池空气电极催化剂。结果显示:摩尔比1.3:1的Mn-MOFs具有较高的结晶度和取向,并显示出明显的簇状结构;该摩尔比Mn-MOFs所装配的锂氧电池具有十分优异的循环性能,在经过35次充放电循环后,放电容量仍保持在500 mAh·g-1。钴基金属有机框架材料（Co-MOFs）,选择乙酸钴和对苯二甲酸两种配体,在摩尔比为1:1、1.1:1、1.3:1、2:1的条件下,使用溶剂热的方法在80℃下制备合成,作为锂氧电池空气电极催化剂。结果显示:摩尔比1.3:1的Co-MOFs具有较好的晶体结构和分子取向并呈现出叶片状结构,该摩尔比Co-MOFs所装配的锂氧电池在大倍率放电下具有可达到6000 mAh·g-1的高放比电容量及较低的容量衰减（电流密度扩大10倍时容量衰减不足50%）。制备锰钴复合基金属有机框架材料（Mn/Co-MOFs）,首先选取摩尔比1.3:1的Co-MOFs,向其添加不同质量已制备好的摩尔比1.3:1的Mn-MOFs,其中锰与钴的比例为1:1、1.2:1、1.5:1、1.7:1、2:1,使用溶剂热的方法在80℃下制备合成,作为锂氧电池空气电极催化剂。结果显示:锰钴比1.5:1的Mn/Co-MOFs具有较好的晶体结构和表面形貌。该比例下的Mn/Co-MOFs中Mn、Co表现出优异的协同作用,所装配的锂氧电池不仅在大倍率电流密度下有较低的容量衰减（电流密度扩大10倍时容量衰减不足50%）,而且循环性能也有显著提升（大倍率电流密度下的循环次数是小倍率电流密度循环次数的五倍以上）。锰镍复合基金属有机框架材料（Mn/Ni-MOFs）,选择乙酸锰、乙酸镍、对苯二甲酸三种配体,在钴金属配体与酸配体摩尔比为1.3:1的条件下,向其中加入0.001 mol镍金属配体,利用溶剂热的方法在80℃下制备合成,作为锂氧电池空气电极催化剂。使用该催化剂所装配锂氧电池电化学测试的结果显示虽然在大倍率电流密度下的放电容量要高于Mn-MOFs,但循环性能逊色于Mn-MOFs。