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随着当今社会对便携式能源的需求不断增长,锂-空气电池作为潜力最大的电池体系正受到越来越多的关注。正极催化剂材料作为锂-空气电池的核心部件,近年来正在科研界掀起一场研发热潮。CeOx具有独特的氧缺陷结构,可对锂-氧电化学反应起到锚定作用,已经成为一种关键候选材料。但块体CeOx材料的大尺寸会导致颗粒表面的氧缺陷比例大幅降低,从而影响催化性能;同时其电子传导性较差,无法直接作为电极材料使用,需要进行纳米修饰且与高电导材料如介孔碳(Mesoporous carbon,MC)复合。本论文从电化学反应路径出发,以富含氧缺陷的超小粒径CeOx/MC复合材料为核心来设计合理的催化剂组分和结构,并对其电化学性能进行了全面评估。主要工作包括如下两部分。(1)富含氧缺陷的超小粒径CeOx/MC复合材料。利用玉米秸秆表面丰富的官能团对Ce3+离子的吸附作用,成功制备了富含氧缺陷的超小粒径CeOx/MC复合材料,并对其进行了全面的物相结构分析和电化学性能评估。结果表明,CeOx/MC整体呈现片状结构,在MC表面均匀分布着细小的CeOx纳米晶颗粒,平均粒径为1.98 nm,CeOx负载量为43.8%,同时实现了超小尺寸和高负载量两个目的。CeOx具有丰富的氧缺陷结构,经XPS拟合计算出x值为1.813。CeOx/MC作为锂-空气电池的正极材料在极限充放电循环(电流密度100 mA·g-1,电压区间2.5-4.5 V)中贡献了 12753 mAh·g-1的超高放电比容量,在1000 mAh·g-1的限容条件下(电流密度200 mA·g-1)稳定循环了 55周。卓越的催化性能源于CeOx具有超小粒径、高负载、富含氧缺陷等综合特点,为氧气的氧化还原反应提供了大量的活性位点,同时调节了不溶产物Li2O2的成核过程,使其在催化剂表面均匀地分布。为了探索焙烧温度对材料形貌、组分和性能的影响,制备了CeOx/MC-X(X=600、700、800、900)并对其进行了详细的形貌表征及性能对比测试,结果表明CeOx纳米晶的颗粒和电池的过电位随着温度升高而增大,电池循环性能随之不断恶化。本工作还将制得的CeOx/MC与商用CeO2进行了对比研究,证实了本工作制得的CeOx具有更为丰富的氧缺陷和更优的催化性能。(2)亚10纳米级复合的CeOx/RuO2/C二维复合材料。在CeOx/MC获得良好性能的基础上,进一步引入了超小尺寸的Ru纳米晶,采用简单的空气氧化法将其转化为RuO2,同时除去过量的碳基底。在浸渍液中Ce/Ru摩尔比为1:1条件下得到了 CeOx/RuO2/C-1:1复合材料。该材料中CeOx/RuO2纳米颗粒的含量高达98%以上,这些纳米颗粒之间与少量碳材料(<2%)相互联结形成自支撑的纳米片结构。CeOx/RuO2/C-1:1拥有的丰富孔结构有利于反应物的传输以及放电产物的存储,因而贡献了 9700 mAh·g-1的极限放电比容量(电流密度100 mA·g-1,电压区间2.5-4.5 V),在1000 mAh·g-1的限容条件下(电流密度200 mA·g-1)稳定循环了 75周。性能的提升源于RuO2的存在大幅降低了充电过电位,CeOx/RuO2/C-1:1的充放电电位差为1.45 V,低于CeOx/MC-600的1.65 V。探索了浸渍液中Ce/Ru摩尔比对于最终性能的影响。结果表明高的Ce/Ru摩尔比时,浸渍液中Ru的利用率很高,而且RuO2的电化学活性非常强。CeOX/RuO2/C-50:1的电化学性能仅稍弱于CeOx/RuO2/C-1:1。本论文提出了一种制备亚10纳米铈基催化剂的简单方法,揭示了 CeOx、RuO2和碳在锂-空气电池电化学环境中的协同作用,丰富了锂-空气电池的催化剂体系,拓宽了高效催化剂的设计思路。