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随着经济的快速发展,越来越多的化石能源被消耗,随之带来了一系列环境问题(酸雨和气候改变),因此有必要开发新型清洁能源。电池作为一种能量储存和输出装置,具有重要的研究意义。金属空气燃料电池属于燃料电池的一种,由于其具有丰富的原材料、较高的性价比、对环境无污染、安全易操作等特点非常适合用于电动车动力电源。电池的性能主要受空气阴极的影响,阴极是催化氧还原反应,因此,电池的性能主要由催化剂决定。目前应用最多的氧还原催化剂是碳材料负载铂基纳米粒子,由于具有价格昂贵,稳定性差等问题,而无法实现金属空气燃料电池的大规模应用。本论文主要研究氧气反应的非Pt金属催化剂,研究的内容分为三部分:首先,制备了 α-MnO2/graphene复合物催化剂,对其电化学性能进行研究,并将其应用在镁空气燃料电池上,该催化剂采用简单的水热法将α-MnO2组装到石墨烯的表面,相较于商用纳米氧化锰,纳米氧化锰与石墨烯复合物表现出很好的电催化活性,α-MnO2/graphene复合物在0.1M KOH溶液中氧气还原峰为-0.252V(vs.HgO/Hg)高于商用氧化锰(-0.287V)。通过旋转圆盘电极测试,α-MnO2/graphene复合物的氧还原机理是近四电子路径。此外,制备了较大面积(5*5cm)镁空气燃料电池并用于测试。测试结果表明,该催化剂表现出较好的功率密度(96 mW/cm2,最高电流密度140mA/cm2)。结果表明,经济有效的α-Mn02/graphene复合材料可以应用在镁空气燃料电池中替代贵金属催化剂。其次,以金属有机框架化合物ZIF-67为前驱物,制备Ag-Co3O4@NC/CNT复合物,探究了其作为新型氧还原催化剂在镁空气燃料电池中的应用。测试结果表明,Ag-Co3O4@NC/CNT 的起峰电位在-0.0024V 更优于 20%Pt/C(-0.0729V),半波电位是-0.198V比较接近商用20%Pt/C(-0.20V)。Ag-Co3O4@NC/CNT的塔菲尔的斜率是95mV/dec,该值比较接近20%Pt/C催化剂(86mV/dec)。在碱性和中性条件下,Ag-Co3O4@NC/CNT能够催化四电子的氧气还原反应过程,可用于中性无机电解液的镁空气电池中。相较于20%商用Pt/C催化剂,该催化剂表现出更高的功率密度(88.9mW/cm2,最高电流密度140mA/cm2)。最后研究了以Co基的金属有机框架材料ZIF-67为前驱物,在ZIF-67生长过程中添加金属La离子得到La-ZIF-67,经过先低温氧气热处理后然后在惰性气体氛围中700℃煅烧3h得到LaCoO3-Co3O4@NC。测试结果表明,LaCo03-Co3O4@NC塔菲尔的斜率只有73.1mV/dec,低于Pt/C催化剂(77.3mV/dec),说明LaCoO3-Co3O4@NC的过电位大大低于Co3O4@NC而且略低于20%Pt/C催化剂。通过旋转圆盘计算氧还原在LaCo03-Co3O4@NC电极主要是以四电子路径进行。在OER性能测试中,LaCoO3-Co3O4@NC的起峰电位为1.37V(vs.RHE)远低于Co3O4@NC的起峰电位为1.55V,而20%Pt/C的起峰电位1.45V,说明LaCoO3-Co3O4@NC也是优异的氧析出催化剂。将LaCoO3-Co3O4@NC应用在镁空气燃料电池,相较于20%商用Pt/C催化剂,该催化剂表现出更高的功率密度(150mA/cm2时对应的功率密度为90mW/cm2)。