过渡金属氧化物作为金属空气电池氧电极双功能催化剂的性能研究

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全球范围内能源需求的逐步增长以及生态环境的日益恶化,推动了可持续能源转换和存储技术的快速发展。金属空气电池作为一种新型的电池体系,因其高能量密度,低成本以及环境友好等优点已然引发众多科研工作者的关注。然而,氧电极缓慢的电化学反应动力学阻碍其商业化道路。因此,研究开发具备氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)活性的双功能催化剂成为关键因素。基于以上问题,本文主要制备了三种以过渡金属氧化物为主的复合材料,并研究其作为金属空气电池氧电极双功能催化剂的催化活性,主要内容如下:首先,以活性碳为基底利用一步溶剂热法首次合成Ag-CoFe2O4/C纳米复合材料。所制备的Ag-CoFe2O4/C纳米复合材料在碱性溶液中表现出良好的ORR和OER催化活性。这是因为CoFe2O4的加入阻碍了Ag纳米颗粒的团聚,使复合材料表面暴露出更多的活性位点。与此同时,Ag与CoFe2O4之间产生的电子效应也促进了Ag-CoFe2O4/C纳米复合材料电化学性能的提升。此外,Ag-CoFe2O4/C催化剂表现出较好的抗甲醇能力以及稳定性。其次,采用溶剂热法制备MnO2-CoFe2O4/C纳米复合材料。经过电化学测试发现,MnO2-CoFe2O4/C催化剂具有比MnO2/C、CoFe2O4/C以及MnO2/C+CoFe2O4/C(机械混合)都要好的ORR和OER催化活性。此外,通过对不同质量比的MnO2-CoFe2O4/C的催化活性进行比较,可以得出,当MnO2与CoFe2O4的质量比为1:1时,其ΔE值最小,即MnO2-CoFe2O4/C(1:1)具有最好的氧电极催化活性。最后,经过两步水热法合成以MnOOH纳米棒为基底的CoMn2O4/MnOOH纳米复合材料。其中,MnOOH不仅作为载体,还为合成CoMn2O4提供锰源。经测试可得,CoMn2O4/MnOOH具有较高的电化学活性面积(ECSA),这为氧还原反应提供更多的活性位点。同时,CoMn2O4与MnOOH的之间产生的协同效应也对ORR性能有促进作用。此外,CoMn2O4/MnOOH复合材料在碱性条件下表现出较好的OER催化性能,并且在抗甲醇能力以及稳定性方面都有出色表现。而且,较小的ΔE值说明CoMn2O4/MnOOH具备作为氧电极双功能催化剂的潜能。
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