锌空气电池催化剂
锌空气电池中氧反应电催化剂的表界面调控研究
锌空气电池中氧反应电催化剂的表界面调控研究一、本文概述随着全球能源需求的日益增长和环境保护压力的加大，高效、清洁、可持续的能源转换与存储技术已成为科学研究的重点。
锌空气电池，作为一种新型的高能量密度电池，因其理论能量密度高、环境友好、成本较低等优点，被认为是有望替代传统化石燃料电池的候选者之一。
然而，锌空气电池在实际应用中仍面临诸多挑战，其中氧反应电催化剂的活性和稳定性是制约其性能进一步提升的关键因素。
因此，对锌空气电池中氧反应电催化剂的表界面调控研究具有重大的理论意义和应用价值。
本文旨在探讨锌空气电池中氧反应电催化剂的表界面调控策略，以提高其催化活性和稳定性。
我们将综述锌空气电池的工作原理及氧反应电催化剂的重要性；我们将详细介绍表界面调控的基本原理和方法，包括催化剂的形貌控制、表面修饰、界面工程等；接着，我们将分析不同表界面调控策略对氧反应电催化剂性能的影响；我们将展望未来的研究方向和挑战。
通过本文的研究，我们期望为锌空气电池的性能优化提供新的思路和方法，推动其在能源存储和转换领域的应用发展。
二、锌空气电池基本原理与氧反应电催化剂锌空气电池，作为一种高效、环保的能源储存和转换装置，其基本原理主要涉及到锌的氧化反应和氧气的还原反应。
在放电过程中，锌作为负极，发生氧化反应生成锌离子和电子，电子通过外电路传递到正极，同时锌离子进入电解质溶液中。
正极则发生氧气的还原反应，氧气从空气中进入正极，接受电子并与电解质中的离子发生反应生成水或氢氧根离子。
氧反应电催化剂在锌空气电池中扮演着至关重要的角色。
催化剂能够降低氧气还原反应的活化能，提高反应速率，进而提升电池的整体性能。
理想的氧反应电催化剂应具备高活性、高稳定性、低成本和良好的导电性等特点。
目前，研究者们广泛探索了各类催化剂材料，包括贵金属催化剂、过渡金属氧化物、碳基材料等，以寻求最佳的氧反应电催化性能。
表界面调控是提高氧反应电催化剂性能的重要手段之一。
关于锌空电池的认识
关于锌空电池的认识1 开发锌空电池的意义锌空气电池以锌为负极活性物质，空气中的氧气为正极活性物质。
由于空气中的氧气随时可取，又不占用电池空间，因此在相同体积、相同重量下，这种全新的锌空气电池可以储存更多的反应原料，与传统的电池相比，其比能量更高（理论比能量达1350Wh/ kg )，成本更低。
锌空电池具有容量大、比能量高、成本低、放电性能稳定、安全、零污染、大功率及材料可再生等特点，已成为当今世界能源领域的开发热点，是一种具有巨大市场前景的化学电源。
它使用空气作为阴极活性物质极大地提高了电池的输出容量和放电性能，并继承了能源电池技术中最优秀的技术，使现在己商品化的电池所存在的放电容量、充电效率、放电性能等均得以突破性进展，锌空气电池是一种前景极其广阔的新型能源，其性能及技术参数已达世界先进水平，为新能源的开发利用做出了有益的探索。
“锌一空电池”的普及推广和使用必将把世界能源行业推向新的革命。
2 锌空电池概述2.1 工作原理锌空气电池以空气(氧)电极作正极,锌电极作负极组成，电池放电反应为：正极：O2 + H2O +2e- 2OH- (1)负极： Zn + 2OH-ZnO +H2O +2e- (2)电池反应：Zn + O2 ZnO (3)根据反应式可知锌/空气电池的电动势为：= - + ln(4)式中为氧电极标准电极电位,其值0140V。
为锌电极标准电极电位,其值 -1.245V。
在常温常压下,空气中分压约为大气压力的20%,代入(4)式,锌空气电池电动势为1.636V= 1.646 + ln0.2= 1.636 V实际测量电池开路电压在1.40～1.45 V之间,主要原因是氧电极反应很难达到标准状态下的热力学平衡。
2.2 锌空电池的结构锌空电池主要由阴极、阳极、电介质三部分组成。
结构见图1。
图 1 锌空电池结构简图阴极—是起催化作用的碳从空气中吸收氧。
阳极—是锌粉和电解液的混合物，成糊状。
电解液—高浓度的KOH水溶液。
双功能催化剂 锌空电池
双功能催化剂锌空电池
摘要：
1.锌空电池的概述
2.双功能催化剂的概念及作用
3.锌空电池中双功能催化剂的应用
4.双功能催化剂对锌空电池性能的影响
5.锌空电池的发展前景
正文：
1.锌空电池的概述
锌空电池是一种新型的可充电金属空气电池，具有高能量密度、低成本和环保等优点。
它主要由锌负极、空气正极和电解质组成，通过氧化还原反应实现电能的储存和释放。
在众多金属空气电池中，锌空电池以其优越的性能成为研究的热点。
2.双功能催化剂的概念及作用
双功能催化剂是指在电化学反应过程中既能作为氧化反应催化剂，又能作为还原反应催化剂的物质。
在锌空电池中，双功能催化剂可以同时提高锌负极和空气正极的反应活性，从而提高电池的整体性能。
3.锌空电池中双功能催化剂的应用
在锌空电池中，双功能催化剂通常应用于空气正极，以提高氧气的还原反应速率。
此外，双功能催化剂还可以降低正极反应的过电位，从而延长电池的循环寿命。
4.双功能催化剂对锌空电池性能的影响
双功能催化剂的引入可以显著提高锌空电池的性能。
首先，双功能催化剂可以提高氧气的还原反应速率，从而提高电池的输出功率；其次，双功能催化剂可以降低正极反应的过电位，从而延长电池的循环寿命；最后，双功能催化剂可以减轻锌负极的腐蚀，进一步提高电池的性能。
5.锌空电池的发展前景
随着双功能催化剂等关键技术的不断突破，锌空电池在能量存储领域具有巨大的应用前景。
应用于锌_空气电池的新型碳载钴_聚噻吩复合催化剂
应用于锌-空气电池的新型碳载钴-聚噻吩复合催化剂孙新阳周德璧*吕董谭龙辉赵伟利（中南大学化学化工学院长沙410083）摘要采用化学氧化聚合法合成了以碳为载体的钴-聚噻吩复合物（Co-PTh /C ）作为气体扩散电极氧还原催化剂。
通过扫描电子显微镜-能量色散X 射线能谱（SEM-EDX ）、透射电子显微镜（TEM ）等测试技术对催化剂进行表征。
结果表明，Co-PTh /C 催化剂颗粒的粒径为10 30nm ，且分布均匀。
利用极化曲线、交流阻抗等电化学方法测试了其在碱性介质中（6mol /L KOH ）对氧还原的催化性能。
此催化剂在碱性介质中空气气氛条件下，电极电位在－0.20V （vs ．Hg /HgO ）时电流密度达到0.152A /cm 2，催化性能高于质量分数5%Pt /C ，显示出优越的氧还原电催化性能。
采取催化层/集流体/扩散层的排布方式，以纯锌为负极，6mol /L 的KOH 为电解液，将气体扩散电极与锌负极组装成锌-空气电池。
电池以0.075A /cm 2进行恒流放电，放电电压为1.1V 且性能稳定。
关键词聚噻吩，氧还原，气体扩散电极，电流密度中图分类号：O646文献标识码：A文章编号：1000-0518（2010）12-1424-06DOI ：10．3724/SP．J．1095．2010．000412010-01-19收稿，2010-03-29修回通讯联系人：周德璧，男，教授，博士生导师；E-mail ：zhoudb@mail．csu．edu．cn ；研究方向：电化学锌-空气电池具有能量高、密度高、比容量好、使用安全等优点。
正极氧还原反应超电位高、动力学缓慢，目前主要采用以碳为载体的铂及铂系催化剂。
但铂金属成本高，在世界范围内资源匮乏，难以普及应用［1-3］。
以碳为载体的金属氮化物（如金属酞菁、金属卟啉等）具有良好的氧还原催化活性，但其稳定性较差［4-7］。
20世纪60年代初，研究人员发现生物体内铁硫蛋白（含Fe 2S 2、Fe 4S 4）对呼吸作用氧还原有促进作用。
1. 锌空气电池的工作原理
1. 锌空气电池的工作原理锌空气电池以锌（Zn）为正极、氧为负极、氢氧化钾（KOH）为电解质。
锌空气电池地化学反应与普通碱性电池类似，其基本工作原理为电池正极上的锌与电解液中的OH－发生电化学反应(负极反应)，释放出电子。
同时GDE（气体扩散电极或空气负极）反应层中的催化剂与电解液及经由扩散作用进入电池的空气中的氧气相接触，吸收电子，发生电化学反应(正极反应)。
但锌空气电池充电过程进行得十分缓慢，通常锌空气电池正极的锌板或锌粒，在放电过程中，被氧化成氧化锌而失效后，一般采用直接更换锌板或锌粒和电解质的办法，使锌空气电池完全更新。
2. 锌空气电池的构造在单体电池中以锌为正极，氧为负极，采用外氧式设计，在锌空气电池两侧有两块高功率、长寿命的空气电极。
成品的锌空气电池由一组单体电池串联而成，车载锌空气动力电池组还包括空气流通保障系统和电池组热管理系统两个子系统，以确保动力电池组能够长期、稳定地运转。
空气流通保障系统，调节进入锌空气电池负极地空气量，当不使用电池时，可以自动切断空气。
热管理系统保证锌空气电池组能够可靠地工作。
用更换锌空气电池中的锌板或锌粒和电解质的"机械式"充电模式，既方便又快捷，只需3min即可完成"充电"全过程。
更换下来的氧化锌在专门的工厂进行回收处理，实现锌的再生循环。
3. 锌空气电池的基本特性● 充电特性锌空气电池的充电模式，打破了普通蓄电池的常规充电模式，采用机械式更换电池的锌板或锌粒的"充电"模式，整体更换锌空气电池的活性物质，将整个锌空气电池进行更换，电池不再需要花很长的时间来充电，更换一块20kWh的电池块只需要1分40秒。
只要在公路沿线设置锌板或锌粒匣以及电解质器匣的机械式整体更换站，其效果如同现在内燃机汽车的加油站，直接"充电"，可以为用户提供很大的方便。
● 放电特性锌空气电池具有大电流持续放电的能力，能够满足EV快速加速和连续爬坡的要求。
Zn-空气电池中二维与三维结构碳负载Mn3O4的催化性能比较
本 文使用有 序介孔 碳 载体负 载 Ｍ ， 子 ， ｎＯ 粒 比较 了二维 和三维孔 道结 构在 氧催化 反应 中的催化 性
能的差异 ， 提 出三 相催 化机理 ． 并
１ 实 验 部分
采用 文献 ［ １ 和 ［２ 的方法 分别 合成 了两种 介孔碳 （ ｒｅｅ ｓｐｒｕ ａｂｎ Ｏ ） Ｃ Ｋ３ １ ］ １］ Ｏｄｒｄｍｅｏｏｏｓｃｒｏ ， ＭＣ 和 Ｍ 一． 将 制备好 的介 孔 碳 分 散 到 一 定 体 积 的 乙 醇 和 水 的 混 合 溶 液 （ 积 比为 ３ １ 中 ，加 入 一 定 质 量 的 体 ：）
关， 也与催 化剂 的孔道 结构 、 粒子 大小 和 比表 面积 等参 数有 关 ．在 实 际 的锌 ． 气 电池 中 ， 气通 过气 空 氧 体扩散 电极扩 散到催 化剂 表面进 行还原 ，这一 过程是 一个 典型 的 三相 界面 催 化反应 ，气体 必 须不 断地 补充到 空气 电极 中 ， 能持续 地进行 反应 ．因此 ， 效 的气 体 扩散 途径 以及充 足 的 三相 界 面 （ 才 有 气相 ． 催
Ｃ ｕ妇 入 射光 （ Ａ＝０ １４６ｎ ） 管 压为 ４ Ｖ， 流为 ４ Ａ， 描 范 围为 １。 ９ 。 扫 描速 度为 ．５０ ｍ ， ０ｋ 管 ０ｍ 扫 ０ ～ ０， ００２／．材 料形貌 采用透射 电子显 微镜 （ Ｅ Ｊｏ ＪＭ一００ ．１。ｓ Ｔ Ｍ， ｅｌ Ｅ ２ １ ）进 行观察 ．材料 的比表面积 和孔径分 布采用 氮气 吸附脱 附等温线分 析 （ Ｅ Ｍｉ ｏ ｅｉｃ Ｔｉａ ００ 确定 ． Ｂ Ｔ， ｃ ｍ ｒｉ ｒｔ ３０ ） ｒ ｔｓ ｓ ｒ 气体 扩散 电极 由催 化层 、 气体 扩散层 和集 流体 ３层 构 成．将碳 基 氧化 锰 复合 材料 、乙炔 黑 和聚 四 氟 乙烯 乳液 （ Ｆ 按质量 比 ８ ：：０混 合后 ， Ｅ） ５５ １ 加入适量 的异丙 醇搅拌 均匀 ， 用擀膜机 擀压成 均匀 的催 化层 膜 电极 ， 于 ８ 烘 箱 中烘 干 ２ ． 乙炔 黑和 聚 四氟 乙烯乳液 （ Ｆ 按质 量 比 ７３ 置 ０Ｃ ｃ ４ｈ 将 Ｅ） ：混合后 ， 加 入适量 的异丙 醇搅拌 均匀 ， 用擀 膜机 擀压 成气 体 扩散 层 膜 电极 ，放 置到 丙 酮溶 液 中浸泡 ２ ．最后 ， ４ｈ 截取 尺寸 为 １０ｃ ０５ｃ 的催 化层膜 电极和一 定大 小 的气体 扩散层 膜 电极 ， 次压于镍 网上 ， 成 ． ｍ× ． ｍ 依 制 气体 扩散 电极 （ 催化 层／ 气体 扩散层／ 流体 ） 集 ．单位 面积上碳 基氧 化锰 的质量为 ４ｍ ／ ｍ ． ｇ ｃ 采用循环伏 安 和充放 电测试研 究 了不 同碳 和氧化锰 复合 材料 的电化学性 能．其 中循环 伏 安测试使 用 三电极体 系 ， 片和饱 和甘 汞电极分 别用作 对 电极和 参 比 电极 ， 体 扩散 电极为 工作 电极 ，电解 液 铂 气 使用 １ ｏ Ｌ的 Ｋ Ｈ 聚丙烯 酸钠凝胶 电解 质 ， ０ｍ ｌ ／ Ｏ ／ 整个 测试 在 Ｃ ６０电化 学工作站 上进行 ．充放 电测试 ＨＩ ６
Fe,N掺杂二维多孔碳双功能催化剂及锌-空气电池中的应用
Fe,N掺杂二维多孔碳双功能催化剂及锌-空气电池中的应用马龙涛;支春义【摘要】Fe, N doped 2D porous carbon catalyst was synthesized by pyrolysizing the precursor, ZIF-8, on graphene.Meanwhile, Fe-2, 2-bipy were coordinated on ZIF-8.The catalyst was analyzed by SEM, XRD, and XPS for morphology, structure and component.The ORR and OER performance of the Fe, N doped 2D porous carbon catalyst were characterized by RDE, CV curves and LSV curves.It was found that the Fe, N doped 2 D porous carbon catalyst shows uniform 2D structure and that the content of Fe element is 1.32％.The catalyst shows 0.83 V half-wave potentials for oxygen reduction reaction (ORR) in 0.1 mol/L KOH solution and 420 mV over-potential for oxygen evolution reaction (OER) at 10 mA/cm2 in 1 mol/L KOH solution.Then, a zinc-air battery was assembled using as-synthesized catalyst.The power density of zinc-air battery is up to 245 mV/cm2.Furthermore, it shows superior cycling stability.%在石墨烯表面负载金属有机框架材料ZIF-8,同时在金属有机框架材料表面分散Fe-2,2-Bipy螯合物,通过高温煅烧分解制备了Fe,N掺杂多孔碳催化剂材料.采用SEM,XRD,XPS对制备的催化剂材料进行了形貌、结构以及成分分析.采用旋转圆盘电极,CV曲线,LSV曲线对Fe,N掺杂多孔碳催化剂材料的氧还原(ORR)以及析氧(OER)电催化性能进行了分析.并且将Fe,N掺杂多孔碳催化剂应用于锌-空气电池.结果表明,所制备的Fe,N掺杂多孔碳催化剂材料显示出均匀的二维结构形貌,Fe元素含量为1.32％.催化剂在0.1 mol/L KOH溶液中半波电位为0.83 V,在1 mol/L KOH溶液中,10 mA/cm2电流密度下过电势为420 mV.将催化剂应用于锌-空气电池,锌-空气电池功率密度达到245 mV/cm2,并且表现出优异的循环稳定性.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2019(034)001【总页数】6页(P103-108)【关键词】Fe,N掺杂;二维多孔材料;双功能催化剂;锌-空气电池【作者】马龙涛;支春义【作者单位】香港城市大学材料科学与工程系, 香港 999077;香港城市大学材料科学与工程系, 香港 999077【正文语种】中文【中图分类】O646锌空气电池是一种以空气为正极, 锌为负极的一种半开放体系电池。
二次锌-空气电池正极材料的可控制备与催化机理研究
二次锌-空气电池正极材料的可控制备与催化机理研究二次锌-空气电池是一种新型的次质量储能技术，具有高能量密度、低成本、环保等优点，被广泛研究和应用。
其中，正极材料的选择和制备是决定电池性能的关键因素之一。
本文将探讨二次锌-空气电池正极材料的可控制备与催化机理。
首先，正极材料的选择对电池性能至关重要。
传统的二次锌-空气电池正极材料是氧气还原反应（O2 + 4e- + 2H2O → 4OH-）的催化剂。
目前研究表明，半导体材料、金属催化剂和碳基催化剂等可作为催化剂应用于二次锌-空气电池正极材料中。
半导体材料具有高效的电子传导性和催化性能，但在实际应用中存在固体电解质溶液耦合的问题。
金属催化剂具有较高的催化活性，但容易发生金属溶解。
碳基材料具有良好的导电性和催化性能，且较为稳定，因此被广泛应用于二次锌-空气电池正极材料的制备中。
其次，正极材料的制备方法也对电池性能有着重要影响。
常用的制备方法包括溶胶凝胶法、电沉积法和电化学沉积法等。
溶胶凝胶法具有简单、低成本、易于大规模制备的优点，但存在制备时间长、杂质含量高的缺点。
电沉积法和电化学沉积法能够在较短时间内制备出高纯度的正极材料，但对仪器设备和操作技术要求较高。
因此，需要根据具体需求选择合适的制备方法。
然后，正极材料的催化机理也是研究的重要内容之一。
氧气还原反应是二次锌-空气电池中的关键反应，其催化机理涉及到电子传递和质子转移等过程。
常见的催化机理有双步反应机理、四电子传递机理和两电子传递机理等。
双步反应机理是指氧分子先吸附到催化剂表面，然后发生电子转移和质子转移反应。
四电子传递机理是指氧分子直接接受四个电子和四个质子，形成氢氧根离子。
两电子传递机理是指氧分子直接接受两个电子和两个质子，形成过氧根离子。
通过深入研究催化机理，可以为制备高效的正极材料提供理论指导。
综上所述，二次锌-空气电池正极材料的可控制备与催化机理研究是提高二次锌-空气电池性能的重要内容。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
锌空气电池催化剂
锌空气电池是一种新型的高能量密度电池，具有很高的应用潜力。
然而，其在实际应用中还存在一些问题，其中之一就是催化剂的选择和设计。
催化剂在锌空气电池中起着至关重要的作用，能够显著提高电池的性能和稳定性。
催化剂主要用于促进氧气的还原反应，从而实现电池的正极反应。
在锌空气电池中，氧气是通过气体扩散到电池正极的，然后与锌发生反应，形成氧化锌，释放出电子。
这个过程需要催化剂的参与，以降低反应的能量损耗并提高反应速率。
当前，常用的锌空气电池催化剂主要包括贵金属催化剂和非贵金属催化剂。
贵金属催化剂如铂、钯等具有较高的催化活性和稳定性，但成本较高，限制了锌空气电池的商业化应用。
因此，研究人员正在积极寻找替代的非贵金属催化剂。
非贵金属催化剂具有成本低、资源丰富的优势，因此备受关注。
目前，研究人员已经发现了一系列具有良好催化性能的非贵金属催化剂，如过渡金属氮化物、碳材料、金属氧化物等。
这些催化剂能够提高氧气的还原反应速率，并且在长时间使用过程中性能稳定。
过渡金属氮化物是一类非常有潜力的非贵金属催化剂。
研究发现，氮化硼、氮化钼等过渡金属氮化物具有较高的催化活性和稳定性，能够显著提高锌空气电池的性能。
此外，碳材料如碳纳米管、石墨
烯等也被广泛研究作为锌空气电池的催化剂。
碳材料具有良好的导电性和化学稳定性，能够有效促进氧气的还原反应。
金属氧化物如钨酸盐、锰氧化物等也被证明是一种有效的催化剂。
除了催化剂的选择，催化剂的设计也是锌空气电池研究的重要方向之一。
通过调控催化剂的形貌、结构和组成，可以进一步提高催化剂的催化活性和稳定性。
例如，通过调控碳材料的孔隙结构和表面官能团，可以增加氧气分子与催化剂之间的接触面积，提高反应速率。
同时，合理设计过渡金属氮化物的晶体结构和表面形貌，也能够改善催化剂的催化性能。
锌空气电池催化剂的选择和设计对于电池性能的提升至关重要。
当前，非贵金属催化剂被广泛研究，具有较低的成本和良好的催化性能。
过渡金属氮化物、碳材料和金属氧化物等被认为是潜在的锌空气电池催化剂。
此外，通过催化剂的形貌和结构设计，也可以进一步提高催化剂的催化活性和稳定性。
随着对锌空气电池催化剂的深入研究，相信锌空气电池将在能源领域得到更广泛的应用。