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应用于双功能型空气电极的钙钛矿型氧化物催化材料的研究

作　者: 温美盛
导　师: 周德璧
学　校: 中南大学
专　业: 应用化学
关键词: 钙钛矿型溶胶-微波氧还原氧析出吸附
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

钙钛矿型氧化物是一种应用于燃料电池空气电极的高效非贵金属催化剂,催化效果与其结构密切相关。本文工作研究了用溶胶-凝胶法制备钙钛矿型氧化物La0.5Sr0.5(LSCoO),首次采用了溶胶-微波法合成了掺杂碳材料的钙钛矿型氧化物La0.5Ca0.5CoO3/C (LSCoO/C),并测试它们在碱性介质(6mol·L-1KOH)中的电化学性能。采用溶胶-凝胶法制备了钙钛矿型氧化物LSCoO,其颗粒为不规则立方体,有轻微团聚,粒径在50-60nm之间。以此产物为催化剂制备的电极在空气气氛下碱性介质(6mol·L-1KOH)中,电位为-0.2 V(vs. HgO/Hg)时,催化氧还原的电流密度为152 mA·cm-2,电位在0.7 V (vs. HgO/Hg)时,催化氧析出的电流密度为152 mA·cm-2。以溶胶-微波法合成了LSCoO/C,其颗粒呈球形状,粒径在15～25 nm之间且分布均匀。以此催化剂制备的电极在空气气氛下碱性介质(6mol·L-1KOH)中,电位为-0.2 V (vs. HgO/Hg)时,催化氧还原的电流密度为157 mA·cm-2,电位在0.7 V (vs. HgO/Hg)时,催化氧析出的电流密度为142mA·cm-2。LSCoO、LSCoO/C的催化氧还原和氧析出的性能都很优越,且均优于5% wt Pt/C催化剂,可以作为双功能氧电极的催化材料。以催化剂LSCoO、LSCoO/C制备得到的空气电极作为电池的正极,组装成小型锌-空气电池,初步研究了电池的充放电性能。建立了O2在钙钛矿型氧化物CaTiO3(001)表面的吸附模型,以此来研究O2在其表面的吸附机理,并证实了氧缺陷表面有利于O2的吸附。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
绪论  8-10
第一章文献综述  10-20
  1.1 氧电极  10-11
    1.1.1 氧电极过程  10
    1.1.2 氧还原反应机理  10-11
    1.1.3 氧析出反应机理  11
  1.2 氧电极催化材料  11-13
    1.2.1 酸性介质中的氧电极催材料  11-12
    1.2.2 碱性介质中的氧电极催化材料  12-13
  1.3 钙钛矿型氧化物  13-16
    1.3.1 钙钛矿型氧化物的结构  13-14
    1.3.2 钙钛矿型复合氧化物特点  14
    1.3.3 钙钛矿型双功能电极  14-15
    1.3.4 钙钛矿型双功能氧电极面临的问题  15-16
  1.4 纳米钙钛矿型氧化物催化材料的制备  16-18
    1.4.1 纳米材料  16
    1.4.2 纳米钙钛矿型氧化物催化材料的制备  16-18
  1.5 催化材料的量子化学研究  18-20
    1.5.1 计算方法  18
    1.5.2 密度泛函理论  18
    1.5.3 钙钛矿型氧化物表面吸附小分子  18-19
    1.5.4 Materials Studio  19-20
第二章实验方法和原理  20-24
  2.1 实验试剂和仪器  20-21
    2.1.1 实验试剂  20-21
    2.1.2 实验仪器  21
  2.2 催化剂的制备方法  21
    2.2.1 溶胶-凝胶法  21
    2.2.2 溶胶-微波法  21
  2.3 催化剂的物理表征  21-22
    2.3.1 X射线衍射(XRD)  21-22
    2.3.2 透射电镜(TEM)  22
  2.4 催化剂的电化学性能测试  22-23
    2.4.1 电极制备  22
    2.4.2 测试体系  22-23
  2.5 电化学测试技术  23-24
    2.5.1 线性扫描  23
    2.5.2 计时电流  23
    2.5.3 交流阻抗  23
    2.5.4 放电  23
    2.5.5 充放电  23-24
第三章 La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_3的溶胶凝-胶法制备及电化学性能  24-42
  3.1 催化剂的溶胶-凝胶法制备  24
  3.2 催化剂的物理表征  24-25
    3.2.1 XRD检测  24-25
    3.2.2 TEM检测  25
  3.3 催化剂的电化学性能研究  25-31
    3.3.1 极化曲线  26-27
    3.3.2 交流阻抗  27-29
    3.3.3 计时电流  29-30
    3.3.4 锌-空气电池  30-31
  3.4 A位取代对催化剂性能的影响  31-32
  3.5 制备条件对LSCoO催化性能的影响  32-37
    3.5.1 络合剂的影响  32-34
    3.5.2 pH值的影响  34-35
    3.5.3 煅烧温度的影响  35-36
    3.5.4 煅烧时间的影响  36-37
  3.6 电极制备条件对电极性能的影响  37-41
    3.6.1 催化层制备条件  37-39
    3.6.2 扩散层制备条件  39-41
  3.7 本章小节  41-42
第四章 La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_3/C的溶胶-微波法制备及电化学性能  42-53
  4.1 催化剂的制备  42
  4.2 催化剂的物理表征  42-44
    4.2.1 XRD检测  42-43
    4.2.2 TEM检测  43-44
  4.3 催化剂的电化学性能研究  44-48
    4.3.1 极化曲线  44
    4.3.2 交流阻抗  44-46
    4.3.3 计时电流  46-47
    4.3.4 锌空气电池  47-48
  4.4 制备条件对LSCoO/C催化性能的影响  48-50
    4.4.1 微波功率  48-49
    4.4.2 微波时间  49-50
  4.5 LSCoO、LSCoO/C与贵金属Pt/C催化剂催化性能对比  50-51
  4.6 本章小节  51-53
第五章 O_2在催化剂表面吸附的量子化学研究  53-65
  5.1 CaTiO_3的结构  53
  5.2 O_2在CaTiO_3(001)表面的吸附  53-64
    5.2.1 O_2 分子结构  53-55
    5.2.2 CaTiO_3结构计算  55-56
    5.2.3 CaTiO_3(001)表面吸附计算  56-59
    5.2.4 O_2在CaTiO_3(001)表面的吸附计算  59-64
  5.3 本章小节  64-65
结论  65-66
参考文献  66-73
致谢  73-74
硕士期间发表的论文  74

应用于双功能型空气电极的钙钛矿型氧化物催化材料的研究

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