鈣鈦礦型氧化物作為催化劑在鋰空氣電池中的應用研究.pdf

1、本論文通過溶膠凝膠法制備了鈣鈦礦型氧化物La0.4Sr0.6CoxMn1-xO3(x=0，0.2，0.4)、La0.4Sr0.6NixMn1-xO3(x=0,0.2,0.4)和Ag-La0.4Sr0.6MnO3。通過XRD、FESEM、TEM、BET和XPS等表征手段研究所合成催化劑的晶體結構、形貌、比表面積和表面元素組成，并使用旋轉圓盤電極技術測試所制備催化劑材料的氧還原反應(ORR)和氧氧化反應(OER)電催化性能。通過組裝鋰空氣電

2、池測試樣品的電池性能。
　　XPS分析結果表明Co摻雜的La0.4Sr0.6CoxMn1-xO3(x=0.2，0.4)的表面氧空位和Mn4+/Mn3+和Co3+/Co2+氧化還原電對的含量高于La0.4Sr0.6MnO3。氧還原反應(ORR)及氧氧化反應(OER)極化曲線表明，Vulcan-XC72、La0.4Sr0.6MnO3、La0.4Sr0.6Co0.2Mn0.8O3及La0.4Sr0.6Co0.4Mn0.6O3催化劑材料的

3、ORR及OER催化活性逐漸提高。將La0.4Sr0.6CoxMn1-xO3(x=0，0.2，0.4)應用于鋰空氣電池的正極催化劑，研究其電池性能。當電流密度為100mAg-1時La0.4Sr0.6MnO3、La0.4Sr0.6Co0.2Mn0.8O3和La0.4Sr0.6Co0.4Mn0.6O3作為氧電極催化劑的放電容量分別為5818.8mA h g-1，6419.9mA h g-1，7226.9mA h g-1。當電流密度為500mA

4、 g-1且限制充放電容量為1000mAh g-1時，La0.4Sr0.6Co0.4Mn0.6O3作為正極催化劑時的電池壽命達到46圈遠高于La0.4Sr0.6MnO3的24圈的電池循環(huán)壽命。
　　La0.4Sr0.6NixMn1-xO3(x=0，0.2，0.4)的表面的氧空位含量高于La0.4Sr0.6MnO3，且含有一定量的Ni3+。半電池測試結果顯示Ni摻雜的La0.4Sr0.6NixMn1-xO3(x=0，0.2，0.4)具

5、有高于La0.4Sr0.6MnO3的雙功能催化活性。La0.4Sr0.6Mn1-xNixO3的ORR(@i=-1mA cm-2)與OER(@i=5mA cm-2)間的總過電位為1.06V低于La0.4Sr0.6MnO3的1.249V。將La0.4Sr0.6NixMn1-xO3(x=0，0.2，0.4)應用于鋰空氣電池的正極催化劑，研究其電池性能。當電流密度為100mA g-1時La0.4Sr0.6MnO3、La0.4Sr0.6Ni0.2

6、Mn0.8O3和La0.4Sr0.6Ni0.4Mn0.6O3作為氧電極催化劑的放電容量分別為5818.8mA h g-1，6238.6mA h g-1，7303.7mA h g-1。當電流密度為500mA g-1且限制充放電容量為1000mAh g-1時，La0.4Sr0.6Co0.4Mn0.6O3作為正極催化劑時的電池壽命達到37圈遠高于La0.4Sr0.6MnO3的24圈的電池循環(huán)壽命。因此可知，相比于La0.8Sr0.2MnO3，

7、La0.8Sr0.2Mn0.6Ni0.4O3展現(xiàn)出了其作為鋰空氣電池氧電極催化劑的優(yōu)越性。
　　通過靜置法將單質(zhì)Ag與鈣鈦礦氧化物La0.4Sr0.6MnO3進行復合，通過改變單質(zhì)Ag的量來探究最佳催化性能的鈣鈦礦復合物。采用旋轉圓盤電極測試了La0.4Sr0.6MnO3、10wt％Ag-LSM及20wt％Ag-LSM鈣鈦礦型氧化物催化劑在堿性電解液中(0.1M KOH)的氧還原反應(ORR)。隨著Ag復合量的增加鈣鈦礦材料的雙功

8、能催化活性不斷提高，且10wt％Ag-LSM的ORR電子轉移數(shù)最接近四電子反應的理論值4。結合XPS分析對鈣鈦礦材料催化性能提升進行理論分析，吸附氧含量和Mn4+/Mn3+氧化還原電子對在10wt％Ag-LSM表面的富集使其ORR催化活性增加。通過組裝2032型紐扣電池，利用新威測試系統(tǒng)探究了La0.4Sr0.6MnO3、10wt％Ag-LSM及20wt％Ag-LSM作為鋰空氣電池氧電極催化劑的電化學催化性能。當電流密度為100mAg-