大孔-介孔分級(jí)多孔碳的制備及其作為鋰空氣電池空氣電極的研究.pdf

1、有機(jī)電解液體系鋰空氣電池因具備超高的理論比能量，在電動(dòng)汽車、軍事等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。然而，目前鋰空氣電池仍處在基礎(chǔ)研究的階段，很多基礎(chǔ)的技術(shù)難題有待進(jìn)一步的研究和解決。本文主要研究了大孔/介孔分級(jí)多孔碳材料的構(gòu)筑及其負(fù)載釕催化劑的過程，測試其作為鋰空氣電池空氣電極的電化學(xué)性能。
　　首先，選用甲醛和苯酚通過聚合作用，制備出低階酚醛樹脂，并溶入三嵌段共聚物F127作為軟模板，引入介孔。通過經(jīng)典的stober法制備出粒徑250n

2、m的均勻SiO2球，密堆積后作為硬模板，引入大孔。將溶解有F127的低階酚醛樹脂浸入密堆積的SiO2球，在惰性氣氛中碳化后，除去硬模板SiO2球便得到大孔/介孔分級(jí)多孔碳，研究了其作為鋰空氣電池正極材料的性能。N2吸脫附曲線屬于Ⅲ型曲線(P/P0=0.70~0.99)，證實(shí)了多孔碳介孔結(jié)構(gòu)的存在，通過孔徑分布曲線可知其孔徑主要分布在6.595nm,8.878nm和18.528nm附近。BET測試結(jié)果表明大孔/介孔分級(jí)多孔碳的比表面積達(dá)到

3、451m2g-1，孔體積達(dá)到1.881ml/g。大孔結(jié)構(gòu)能夠有效促進(jìn)O2和Li+的傳輸，介孔結(jié)構(gòu)可以增大活性比表面且為電極反應(yīng)提供了充足的三相反應(yīng)界面，較高的孔容可以容納更多的放電產(chǎn)物，進(jìn)而極大的提高鋰空氣電池的放電比容量。測試結(jié)果表明大孔/介孔分級(jí)多孔碳對(duì)鋰空氣電池的ORR過程具有明顯的催化作用，放電電壓平臺(tái)高達(dá)2.79V。另外，大孔/介孔分級(jí)多孔碳的高倍率放電及循環(huán)性能優(yōu)異，即使在1000mA/g和2000mA/g的電流密度下，循環(huán)

4、次數(shù)分別可以達(dá)到100次和200次，只是放電截止電壓下降到1.0V以下。
　　本文繼續(xù)通過熱還原法在大孔/介孔分級(jí)多孔碳表面負(fù)載無定形金屬釕顆粒作為催化劑，先將多孔碳分散在Ru(NO3)3的EG溶液中，在氮?dú)鈿夥罩?60℃熱還原3h，得到的均勻分布的無定形金屬釕顆粒的粒徑約為1-2nm。其對(duì)有機(jī)電解液體系鋰空氣電池OER過程的催化活性非常顯著，但是對(duì)ORR過程的催化作用并不明顯，具體體現(xiàn)在能夠有效降低充電過電位（降幅約0.3V），

5、進(jìn)一步提高充放電性能和循環(huán)性能。相比于純大孔/介孔分級(jí)多孔碳，負(fù)載無定形金屬釕催化劑的大孔/介孔分級(jí)多孔碳的高倍率循環(huán)性能得到進(jìn)一步的提升，在1000mA/g和2000mA/g的電流密度下，循環(huán)次數(shù)均可以達(dá)到100次，而且放電截止電壓有了明顯的提升。
　　繼而本文對(duì)科琴黑和大孔/介孔分級(jí)多孔碳在放電至2.0V時(shí)的產(chǎn)物進(jìn)行了掃描電鏡（SEM）表征。研究發(fā)現(xiàn)，兩者的成核及結(jié)晶方式不同，前者為密集的片狀結(jié)構(gòu)，后者為疏松多孔的三維花瓣?duì)罱Y(jié)