石墨烯基氧还原催化剂在金属空气电池中的应用_苗鹤
石墨烯基金属-空气电池
石墨烯基金属-空气电池石墨烯基金属-空气电池是一种新型电池技术，其中的石墨烯材料作为催化剂替代传统电池中的贵金属催化剂，用于使金属与空气中的氧气发生电化学反应，以产生电能。
该电池利用金属阳极（如锌或铝）和空气中的氧气，无需存储大量的活性物质，具有较高的能量密度和环境友好性。
石墨烯作为一种二维材料，具有高导电性、高物理强度和高化学稳定性等特性，被广泛应用于电池领域。
在石墨烯基金属-空气电池中，石墨烯被用作阳极的催化剂，促进金属与氧气之间的反应，从而实现电能的释放。
石墨烯基金属-空气电池的优势和应用领域包括：1.高能量密度：石墨烯基金属-空气电池具有较高的能量密度，可以存储更多的电能，提供更长的使用时间。
这使其成为可再充电电池和移动电源领域的潜在替代品。
2.环境友好性：相比传统电池技术，石墨烯基金属-空气电池无需使用稀有和昂贵的贵金属催化剂，并且可以降低对现有资源的依赖。
此外，该电池也不产生有害的废弃物，具有较低的环境影响。
3.快速充电：石墨烯基金属-空气电池具有较高的充电效率和快速充电特性。
这意味着它可以在较短的时间内获得更多的电能，提高了使用者的便利性和效率。
4.潜在应用领域：石墨烯基金属-空气电池可应用于多个领域，包括便携式电子设备、电动汽车、能源存储系统等。
它们还可以用于远程地区的电力供应，以及军事设备和航天飞行器等高要求的应用领域。
虽然石墨烯基金属-空气电池在能量密度、环境友好性和充电速度等方面具有诸多优势，但目前仍面临一些挑战，如石墨烯材料的生产成本、电极寿命和电池稳定性等问题。
因此，进一步的研究和发展努力有助于实现其商业应用。
石墨烯氧化还原反应的研究及其在传感器领域中的应用
石墨烯氧化还原反应的研究及其在传感器领域中的应用石墨烯是一种由碳原子构成的单层平面晶体结构，其独特的物理化学性质使得其在各种领域中得到广泛应用。
其中，石墨烯的氧化还原反应尤其引人关注，这是因为通过对石墨烯进行氧化还原反应可以对其性质进行调控，从而实现对石墨烯的功能化和应用。
一、石墨烯氧化还原反应的研究石墨烯的氧化还原反应是指将石墨烯表面的一些碳原子氧化为羧酸或酮基等官能团，并在适当的条件下还原这些氧化官能团，使其恢复到原来的状态。
这种反应可以通过化学方法和电化学方法进行。
1.化学方法化学方法主要是采用氧化剂进行氧化反应，然后使用还原剂将已经被氧化的石墨烯进行还原。
常用的氧化剂包括硫酸、铬酸和硝酸等，还原剂则包括氢气、氨、水和氢氧化钠等。
2.电化学方法电化学方法主要是通过在空气中施加电场，使得石墨烯表面的一些碳原子被氧化为氧化物，然后通过电还原的方法将其还原为石墨烯。
这种方法可以通过电化学还原和电化学氧化进行。
二、石墨烯氧化还原反应在传感器领域中的应用石墨烯氧化还原反应在传感器领域中的应用较为广泛，主要是利用其表面的氧化还原反应来实现对物质的检测。
1.气体传感器石墨烯氧化还原反应可以通过对石墨烯表面反应的氧化物进行还原，来实现对空气中某些气体成分的检测。
例如，可以通过在石墨烯与其他金属组成的传感器中，来实现对一氧化碳、二氧化碳、氧气和氮气等气体成分的检测。
2.生物传感器生物传感器是指利用生物分子对某些化学物质的特异性识别，来实现对该化学物质的检测。
石墨烯氧化还原反应可以将一些化学物质的结构调控成为生物分子所能识别的结构，从而实现对生物分子的检测。
例如，可以利用石墨烯与DNA相互作用的性质，在石墨烯与DNA组成的传感器中，任意调控DNA的序列和结构，就可以实现对DNA特异性序列的检测。
3.光学传感器石墨烯氧化还原反应可以通过调控其表面的光学性质，来实现对光学信号的检测。
例如，可以将石墨烯与不同的分子组成复合体，利用其表面等离子激元共振现象，达到检测物质浓度的效果。
α-MoC
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第11期·3558·化 工 进 展α-MoC/石墨烯复合材料的氧还原性能及其在微生物燃料电池中的应用郭文显1，陈妹琼1，张敏2，柳鹏2，张燕1，蔡志泉1，程发良2（1东莞理工学院城市学院，城市与环境科学系，东莞市绿色能源重点实验室，广东 东莞523419;2东莞理工学院，生物传感器研究中心，广东 东莞523808）摘要：用改良Hummers 法和碳热还原法分别制备了石墨烯和碳化钼。
用扫描电子显微镜和XRD 表征了材料的形貌和结构。
用循环伏安和线性扫描测试了材料的氧还原催化性能，结果发现，复合材料的氧还原峰电流和起峰电位均大大优于单一材料，表现出较好的催化性能。
含有12mg/cm 2 α-MoC 碳化钼/石墨烯复合材料作为阴极催化剂的MFCs 最大功率密度为417.6mW/m 2，达到商业铂碳的68.2%。
因此，廉价的α-MoC/石墨烯复合材料作为MFCs 阴极氧还原催化剂具有巨大的应用潜力。
关键词：α-MoC/石墨烯；复合材料；催化剂；还原；微生物燃料电池；阴极中图分类号：O 646 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）11–3558–05 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.026Research on the oxygen reduction performance of α-MoC/graphene andits application in microbial fuel cellsGUO Wenxian 1，CHEN Meiqiong 1，ZHANG Min 2，LIU Peng 2，ZHANG Yan 1，CAI Zhiquan 1，CHENG Faliang 2（1Dongguan Key Laboratory of Green Energy ，Department of City and Environment Science ，City College of Dongguan University of Technology ，Dongguan 523419，Guangdong ，China; 2Biosensor Research Centre ，Dongguan Universityof Technology ，Dongguan 523808，Guangdong ，China ）Abstract ：The graphene and molybdenum carbide were prepared by the modified Hummers method and carbon thermal reduction method ，respectively. The morphology of the materials were revealed using scanning electron microscope （SEM ），and the structures were characterized with XRD. The electro catalytic activity of oxygen reduction of the materials were measured by cyclic voltammetry （CV ）and linear sweep voltammetry （LSV ）. The results revealed that α-MoC/graphene composite exhibited better electro catalytic activity than pure graphene or α-MoC ，with a higher oxygen reduction peak current and more positive onset potential. The microbial fuel cell assembled with 12mg/cm 2 α-MoC/graphene composite as cathode catalyst delivered a higher power density of 417.6mW/m 2，which was 68.2% of that obtained using Pt/C-catalyst cathode. Therefore ，using the inexpensive α-MoC /graphene composites as MFCs cathode oxygen reduction catalyst holds great potential for application.Key words ：α-MoC/graphene ；composites ；catalyst ；reduction ；microbial fuel cell ；cathode第一作者：郭文显（1980—），男，硕士，讲师。
二氧化钛负载还原氧化石墨烯的作为氧还原反应的高性能催化剂剖析
发表时间：2016年1月
文献来源：international journal of hydrogen energy
摘 要
为了克服高成本和稀缺资源这些缺点，还原氧化石墨烯（rGO） 负载（N，F）共掺杂TiO2混合（TiO2/rGO）催化剂对氧还原反应的 催化特性。结果表明，该催化剂氧还原反应的起始电位（ORR）催 化剂催化下rGO是0.20V。有相应的电子转移数为3.98，其中意味着， 反应是通过一个4电子过程主要发生。在碱性电解质中，二氧化钛/ 石墨烯催化剂ORR比商业Pt/C催化剂，具有更好的催化性能，高的 稳定性。二氧化钛/石墨烯（TiO2/rGO）催化剂，作为一种高活性 非贵金属催化剂表现出巨大的潜力。
率为5mV· S-1下进行了一个全面的塔菲尔测试。旋转圆盘电极（RDE）和
旋转环盘电极（RRDE）。以同样的扫描速度在RRDE-3A电极进行测试。 对于RRDE测试工作，电极为玻碳盘（直径为5.61mm）和铂环的环盘。
RRDE测试是在1600rpm的转速下O2饱和溶液进行的。铂环电极在0.3V的
Hg/Hg2Cl2电极极化是因为在氧还原过程中的在玻碳电极上氧化过氧化氢 离子。所有实验是在1L的0.1mol/L KOH溶液和在室温下进行。
磁搅拌10分钟后，这些化学物质（纯的乙基乙醇、去离子水、氟化铵、
尿素和去离子水（10 mg· ml-1），分别被添加到混合物中。
实验部分
将混合物加热到195℃并保持10h，得到的粉末，用去离子水和乙醇 洗净，然后充分干燥60℃。
得到四种不同的比例的TiO2/rGO复合材料：（N，F）共掺杂二氧化钛/ 石墨烯（0%），（N，F）共掺杂TiO2/rGO（1.5%），（N，F）共掺杂
介绍
氧还原反应（ORR）在质子交换膜燃料电池的阴极反应中是一个 的最重要因素。一般来说，ORR是通过直接2电子反应或者4电子反应。
石墨烯作为催化剂的研究
石墨烯作为催化剂的研究石墨烯是一种具有独特性质和广泛应用前景的材料，其在催化剂领域中也受到了越来越多的关注。
本文旨在探讨石墨烯作为催化剂的研究进展。
一、石墨烯的催化剂应用石墨烯具有高比表面积、优异的导电性、化学稳定性和热稳定性等特点，使其成为理想的催化剂载体。
同时，石墨烯的π电子结构也为其赋予了一定的催化活性和选择性，这使得石墨烯催化剂在环境保护、能源转化、有机合成等领域具有很大的应用潜力。
以环境保护领域为例，石墨烯催化剂可以用于水处理、空气净化、废气处理等方面。
石墨烯的高比表面积使其可以吸附和活化污染物，其优异的导电性和选择性使其可以用于电化学催化转化。
此外，石墨烯还可以用于固体废物的资源化利用，例如将二氧化碳转化为有用的化学品，实现“废为宝”的循环利用。
二、石墨烯催化剂的制备方法传统的催化剂制备方法主要是物理和化学方法，如沉淀法、共沉淀法、还原法、溶胶-凝胶法等。
然而，这些方法存在制备难度大、成本高等问题。
而石墨烯作为催化剂载体的制备方法也在不断创新和完善中。
在成品石墨烯的制备方面，化学气相沉积(CVD)和化学还原法是目前应用较为广泛的方法。
而对于制备石墨烯催化剂，较常用的方法包括溶液还原法、热化学还原法、等离子体还原法等。
三、石墨烯催化剂的应用研究1. 氧还原反应(ORR)氧还原反应是石墨烯催化领域的重要应用之一。
传统的催化剂如铂、钯等在氧还原反应中具有很高的催化活性和选择性，但价格昂贵，而石墨烯催化剂则可以替代这些昂贵的催化剂。
石墨烯催化剂的氧还原反应机理主要是电化学过程和非电化学过程两种。
电化学过程以石墨烯材料本身作为催化剂，而非电化学过程则是利用石墨烯载体作为基底，通过调控表面活性位点等方式实现催化反应的进行。
2. 二氧化碳还原反应(CO2RR)二氧化碳还原反应是一种环保型的反应，可以将二氧化碳转化为有用的化学品。
然而，这种反应具有较高的能峰和较弱的结合能，传统催化剂如铜、钴等催化活性较低，而石墨烯催化剂则以其优异的导电性、热稳定性和电子传输能力等优点具有很大的应用潜力。
石墨烯在氧还原反应催化剂中应用的研究进展__
收稿日期:2013-06-28作者简介:赵东江(1965-),男,教授,工学博士,绥化学院食品与制药工程学院院长,黑龙江大学物理化学专业硕士生导师,黑龙江省化学学会理事,主要从事物理化学教学和化学电源研究。
1985年7月毕业于绥化师专化学系,留校工作至今,1989年9月-1992年6月就读于中国科学院长春应化学研究所,获理学硕士学位;2008年3月-2013年1月就读于哈尔滨工业大学,获工学博士学位。
1995年被评为黑龙江省优秀教师,1996年获黑龙江省普通高校优秀共产党员称号。
在教学科研工作方面的成果:主持完成省校级教改项目6项、省校级科研项目9项,获黑龙江省教育厅科技进步奖三等奖2项、黑龙江省高校科学技术三等奖2项、绥化市科技进步二等奖2项,获黑龙江省优秀教学成果二等奖2项,撰写《贮氢合金的电化学研究与应用》、《二次电池的原理与制造技术》和《物理化学》著作(教材)3部,以第一署名在《中国科学:化学》、《无机材料学报》、《Journal of Power S ources 》、《Electrochim ica Acta 》等国内外学术期刊发表论文60余篇,其中S CI 检索论文6篇。
基金项目:黑龙江省教育厅科技研究项目(12521656)。
∗∗∗第33卷第9期绥化学院学报2013年9月Vol.33No.9Journal of S uihua UniversitySep .2013石墨烯在氧还原反应催化剂中应用的研究进展摘要:石墨烯是一种由单原子层构成的新型二维碳材料,具有独特的结构和性能,已经在物理、化学、材料等领域广泛应用。
简要介绍了石墨烯的结构特征和物理性能,综述了石墨烯作为燃料电池阴极Pt 基和非P t 基催化剂载体以及氮掺杂石墨烯催化剂的研究进展,提出了石墨烯作为氧还原催化剂载体和非金属催化剂的发展趋势。
关键词:石墨烯;催化剂;载体;氧还原反应中图分类号:O613;文献标识码:A 文章编号:2095-0438(2013)09-0153-08(绥化学院黑龙江绥化152061)赵东江一、引言聚合物电解质膜燃料电池(P EMFC )具有燃料丰富、工作温度低、安全可靠、绿色环保等优点,适用于便携式设备、电动汽车等电源供应[1][2]。
石墨烯在氧还原反应催化剂中应用的研究进展
一
、
引言
然而 ，阴极 Ｐ ｔ 或Ｐ ｔ 合 金催化剂 的稳定 性和价格 是制约 Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ商业化 的主要 因素 。因此 ， 如何提
聚合 物 电解质 膜 燃料 电池 （ Ｐ Ｅ Ｍ Ｆ Ｃ） 具 有燃 高 催 化 剂 的稳 定 性 、降 低 催 化 剂 的 价 格 成 为 Ｅ Ｍ Ｆ Ｃ研 究的重要 目标 。 料丰富、 工 作 温 度低 、 安全 可 靠 、 绿 色 环 保 等优 Ｐ
赵 东江
（ 绥化学院
摘
黑龙江绥化 １ ５ ２ ０ ６ １ ）
要： 石 墨烯是 一种 由单原 子层构 成 的新型二 维碳 材料 ， 具 有独特 的结构 和性 能 ， 已经在 物
理、 化 学、 材料 等领 域广泛应用 。简要介绍 了石 墨烯的结构特征和物理性 能 ， 综述 了石墨烯作 为燃料 电池 阴极 Ｐ ｔ 基和 非 Ｐ ｔ 基催化 剂载体 以及 氮掺 杂石墨烯催化剂的研 究进展 ，提 出了石墨烯作 为氧还 原催化 剂载体 和非金 属催 化剂 的发展趋 势。 关键词 ： 石墨烯 ； 催 化剂 ； 栽体 ； 氧还原反应 中图分类 号 ： Ｏ６ １ ３ ； 文献标识 码 ： Ａ 文章编号 ： ２ ０ ９ ５ — ０ ４ ３ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ １ ５ ３ — ０ ８
第３ ３卷第 ９期
Ｖｏ １ ． ３ ３ Ｎｏ ． ９
绥 化 学 院 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｕ ｉ ｈ ｕ ａ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ２ ０ １ ３年 ９月
Ｓ ｅ ｐ． ２ ０１ ３
石 墨烯在氧还原 反应催化 剂 中应 用的研 究进展
墨烯 分子 内部 的碳 原子 以正六边 形为结构单元 ， 气饱 和的 ０ ． ５ ｍ ｏ ｌ ・ ｄ ｍ 一 ３ Ｈ Ｓ Ｏ 溶液 中 ， 经过 ５ ０ ０ ０
金属空气电池空气电极的催化剂研发
金属空气电池空气电极的催化剂研发随着全球对可再生能源的需求不断增加，金属空气电池作为一种高效、环保且具备巨大潜力的能源存储技术，正在受到广泛关注。
而金属空气电池中的空气电极，特别是其催化剂的研发，对于提升电池的能量密度和稳定性至关重要。
本文将就金属空气电池空气电极的催化剂研发进行探讨。
1. 金属空气电池的基本原理金属空气电池采用金属与空气中的氧气之间的氧化还原反应来释放电能。
在正极，金属与氧气发生反应生成氧化物，而在负极，电流流经外部回路，形成闭合电路。
这种电池的重要优势在于其高能量密度和低成本。
2. 空气电极中催化剂的作用在金属空气电池中，空气电极起到多个重要作用。
它不仅仅是电子的传导通道，还需要能够有效催化氧气还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR），以加速氧气在电极表面的反应速率，并降低反应的过电位。
因此，空气电极的催化剂成为了研发的重点。
3. 催化剂研发的挑战目前，常用的金属空气电池催化剂主要有铂族元素，如铂、钯等。
然而，这些催化剂非常昂贵且稀缺，限制了金属空气电池的商业应用。
因此，研发廉价、高效的替代催化剂成为解决之道。
4. 新型催化剂的探索为了寻找合适的替代催化剂，研究人员将目光聚焦在非贵金属催化剂上。
例如，过渡金属氮化物和碳族化合物等都显示出了良好的催化活性。
此外，纳米材料和多孔材料的结构设计也能够提高催化剂的活性和稳定性。
5. 异质催化剂的应用另一种研发方向是采用异质催化剂。
在这种设计中，将两种不同的催化剂组合在一起，以协同提高反应速率和效率。
例如，将过渡金属催化剂和碳基催化剂组合，可以形成良好的催化界面，提供更多的反应活性位点。
6. 电化学研究的重要性在催化剂研发中，电化学性能的评估显得尤为重要。
通过电化学实验，可以确定催化剂的氧还原反应动力学和稳定性，并优化催化剂的表面形貌和组成结构。
7. 未来展望金属空气电池是一种具有广阔应用前景的能源存储技术。
氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能
氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能一、本文概述随着能源危机和环境问题的日益严峻，寻求高效、清洁、可持续的能源技术已成为全球科研工作者的重要任务。
作为新一代能源技术的重要组成部分，燃料电池和金属-空气电池等电化学能源转换装置因具有高能量密度和环保特性而备受关注。
在这些电化学能源转换装置中，氧还原反应（ORR）是关键步骤之一，其催化剂的性能直接影响到整个装置的能量转换效率和使用寿命。
因此，开发高效、稳定的氧还原电催化剂成为了当前研究的热点。
近年来，石墨烯作为一种新兴的二维纳米材料，因其独特的电子结构和物理化学性质，在电催化领域展现出巨大的应用潜力。
而氮掺杂石墨烯作为一种通过引入氮原子对石墨烯进行改性的材料，不仅保留了石墨烯原有的优点，还在电催化性能上有了显著提升。
氮掺杂石墨烯的引入可以改变石墨烯的电子结构，提高其对氧分子的吸附能力，从而优化氧还原反应的动力学过程。
因此，氮掺杂石墨烯被认为是一种具有广阔应用前景的氧还原电催化剂。
本文旨在探讨氮掺杂石墨烯的制备方法以及其在氧还原电催化反应中的性能表现。
我们将详细介绍氮掺杂石墨烯的合成方法，包括化学气相沉积法、热解法、溶剂热法等，并分析各种方法的优缺点。
我们将通过电化学测试手段，如循环伏安法、线性扫描伏安法等，评估氮掺杂石墨烯在氧还原反应中的催化性能，并探讨其催化机理。
我们还将讨论氮掺杂石墨烯在实际应用中所面临的挑战和可能的解决方案。
通过本文的研究，我们期望能够为氮掺杂石墨烯在氧还原电催化领域的应用提供有益的理论指导和实验依据，为推动新一代电化学能源转换装置的发展做出贡献。
二、氮掺杂石墨烯的制备方法氮掺杂石墨烯的制备是提升其氧还原电催化性能的关键步骤。
目前，常见的氮掺杂石墨烯制备方法主要包括化学气相沉积法、热处理方法、化学还原法以及原位合成法等。
化学气相沉积法是一种在气相中通过化学反应生成固态物质并沉积在基底上的方法。
在氮掺杂石墨烯的制备中，含碳和含氮的前驱体在高温下分解，碳原子和氮原子在基底上重新排列，形成氮掺杂石墨烯。
石墨烯在电化学催化中的应用
石墨烯在电化学催化中的应用石墨烯作为一种具有特殊结构和优异性能的材料，在电化学催化领域展现出了巨大的潜力。
其优异的导电性、高比表面积及良好的化学稳定性使其成为一种理想的催化剂载体。
本文将重点介绍石墨烯在电化学催化中的应用，并对其在氧还原反应、水电解、氢氧化物电化学制备以及有机电合成等方面的应用进行探讨。
1. 氧还原反应氧还原反应作为重要的电化学过程，在能源转换和储存中具有重要的应用。
传统的氧还原反应催化剂如铂和碳材料存在成本高和稀缺的问题，而石墨烯由于其高比表面积和优异的导电性，成为一种理想的替代材料。
石墨烯基复合材料如石墨烯负载纳米金属颗粒的催化性能优于传统催化剂，并且具有更好的长期稳定性。
2. 水电解水电解是一种重要的氢气制备方式，其效率和催化剂的活性密切相关。
石墨烯能够提供大量的催化活性位点，提高电催化剂在水电解中的效率。
石墨烯基复合材料在水电解中表现出优异的电催化活性，具有较低的过电势和较高的稳定性。
石墨烯与过渡金属氮化物复合材料在水电解中展现出良好的协同催化效应，进一步提高了水电解的效率和稳定性。
3. 氢氧化物电化学制备石墨烯也可以被应用于氢氧化物的电化学合成过程。
石墨烯基复合材料具有高比表面积和优异的导电性，可作为电极材料，能有效提高氢氧化物的合成效率。
石墨烯与金属氧化物、金属薄膜等材料的复合形成的电极在氢氧化物的电化学制备中表现出较高的电催化活性和稳定性。
4. 有机电合成石墨烯能够作为催化剂参与有机电合成反应，例如电化学还原、氧化和羧酸酯的电解反应等。
其优异的导电性和大表面积提供了良好的催化性能。
石墨烯基官能化复合材料在有机电合成中展现出较高的选择性和活性。
综上所述，石墨烯作为一种优异的催化剂载体材料，在电化学催化中具有广泛的应用前景。
其在氧还原反应、水电解、氢氧化物电化学制备以及有机电合成等领域的应用研究不断深入，有望为能源转换和储存等领域带来重要的突破。
然而，石墨烯在大规模制备、催化活性的调控等方面仍然存在一些挑战，需要进一步的研究和优化。
- 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)。
可完全依靠电池外部供应， 不需要储存在电池内部， 因此金属空气电池的阴极材料实质为促使 O2 还原 的催化剂 。金属空气电池所涉及的电化学反应 如 （ 1） ～ （ 3） 。 阴极反应： 阳极反应：
http： / / w w w ． progchem． ac． cn
Progress in Chemistry ， 2015 ， 27 （ 7 ） ： 935 ～ 944
Ｒeview 总反应：
化学进展 M + n /4O2 + n /2H2 O = M（ OH）
n
（ 3）
由于金属空气电池的原材料丰富、 性价比高、 理 论能量密度高， 且完全无污染， 因此， 被称为是“面 向 21 世纪的绿色能源 ” 。 图 1 列出了各种已商 ［2 ］ 业化的或正在研发的化学电源的能量密度 。 可
GrapheneBased Oxygen Ｒeduction Ｒeaction Catalysts for Metal Air Batteries *
＊ Miao He ＊
Xue Yejian
Zhou Xufeng
＊ Liu Zhaoping ＊
（ Advanced Liion Battery Engineering Lab ，Ningbo Institute of Industrial Technology ，Chinese Academy of Sciences，Ningbo 315201 ，China） Abstract In the past few years，the metal air batteries developed fast due to their remarkably high theoretical
energy output． So far，the oxygen reduction reaction catalysts still have been the bottleneck for high pow er application of metal air batteries because of their sluggish kinetics． Ｒecently ， the graphenebased oxygen reduction reaction catalysts （ GOＲＲC ） w ith high catalytic activity have been intensively reported． In this review ， w e focus on the recent progress and current situation of GOＲＲC ， and divide them into three categories， graphene as catalyst support，nitrogen doped graphene as the catalyst，and hybrids of nitrogen doped graphene and other catalysts as the catalyst． As an outstanding catalyst support，graphene can not only decrease the application amount of active components but also improve their catalytic activity and longterm stability． After doped by nitrogen ，the graphene catalysts exhibit enhanced catalytic activity for the oxygen reduction reaction． In addition ， the excellent catalysts can be obtained as the nitrogen doped graphene and other type of catalysts are hybridized． The catalytic activity and longterm stability of the hybrids are even better than that of the commercial Pt / C catalyst． Furthermore ，the remarks on the challenges and perspectives of research directions are proposed for further development of GOＲＲC w hich can be used in the metal air batteries． Key words graphene； metal air battery ； oxygen reduction reaction； catalyst
［3 ， 4 ］
铝空气电池与锂 见， 金属空气电池 （ 如镁空气电池、 空气电池） 的理论能量密度远远高于铅酸电池、 镍 氢电池和锂离子电池， 并且接近能量密度最高的氢 。 氧燃料电池和汽油 因此， 金属空气电池被认为是 汽车动力电源的最佳候选之一
［11 ］
Contents 1 2 2. 1 2. 2 3 4 4. 1 4. 2 4. 3 5 Introduction Graphene as catalyst support Noble metal supported by graphene Transition metal oxide supported by graphene Ndoped graphene as catalyst Hybrids of Ndoped graphene and other catalysts Hybrids of Ndoped graphene and noble metal Hybrids of Ndoped graphene and transition metal oxide Hybrids of Ndoped graphene and Ndoped carbon nanotube Conclusion and outlook
［12 ］ 气电池， 其能量密度可达 200 Wh / kg 。 基于此项 EFL 和美国通用电气 （ GE ） 共同开发了载重 技术， 20 吨 的 混 合 动 力 大 巴， 该 大 巴 车 可 行 驶 150 ～
250 km［11］。铝空气电池具有低成本、 高比能量密度 和高功率密度等优点，在水底动力系统、 电信系统、 后备动力电源和便携式电源等军事和民用方面具有 广泛 应 用。 2014 年， 美 国 铝 业 Alcoa 与 以 色 列 Phinergy 公司合作开发了一款新型的铝空气电池。 他们将该电池应用于改装的雪铁龙 C1 上， 在蒙特 利尔一级方程式赛道上进行了试驾。 结果表明， 他 们所研发的重量为 100 kg 的铝空气电池可以续航 1600 km［13］。镁空气电池作为一种环境友好的高性
n+ 被氧化成相应的金属离子 M ； 电解液通常为碱性 或中性介质， 如 KOH 或 NaCl 水溶液； 阴极活性物质 － 放电时 O2 被还原成 OH 。由于 O2 为空气中的 O2 ，
金属空气电池主要包含锂、 镁、 铝、 锌空气电池 等。考虑到锂空气电池的工作原理以及阴极催化剂 的工作环境与其他几类金属空气电池存在较大差 异， 因此本文中所涉及的金属空气电池特指为镁 、 铝、 锌空气电池， 不包含锂空气电池。 锌空气电池的商业化应用已有多年， 主要是应 用于铁路信号、 远距离通讯、 航海、 辅助听力器与寻 呼机等 需 要 长 时 期、 低 速 率 放 电 的 装 置。 以 色 列 Eletric Fuel Ltd． 公司（ EFL） 开发的一种新型的锌空
能电源， 采用中性盐或海水电解质， 避免了腐蚀性碱 液的潜在危害， 有着优良的性价比。近年来， 通过开 发各种新型的镁合金阳极、 阴极电催化剂和电解质 添加剂以及优化阴极结构， 镁空气电池的研究取得 了突破性的进展， 在移动电子设备电源、 自主式潜航 器电源、 海洋水下仪器电源和备用电源等方面 ， 具有 非常广阔的应用前景。 最近， 韩国科技研究院能源 研究中心研发出一款新型的镁空气动力电池 ， 能使 电动汽车 在 一 块 完 整 电 池 的 驱 动 下， 行驶距离达 800 km， 完成了全球首次镁空气电池汽车的路面 测试。 可见， 金属空气电池作为小型、 低功率应急电源 的技术已经相对成熟， 目前的研发热点是开发动力 型金属空气电池。 近几年来， 金属空气电池动力化 的研究进展非常迅猛， 然而若要开发满足商业化要 求和高功率密度的动力电池还需大量的科研投入 。 目前， 限制金属空气电池动力化的最主要因素 之一是尚未开发出高性能、 低成本和满足商用要求 的氧还原催化剂。金属空气电池的阴极活性物质氧 的还原是一个复杂的四电子或两电子反应过程 ， 详 ［3 ］ 见反应（ 4 ） ～ （ 11 ） 。 四电子反应过程为： O2 + 2H2 O + 2e － = 2OH ads + 2OH － （ 4 ） 2OH ads + 2e － = 2OH － 总反应： O2 + 2H2 O + 4e － = 4OH － 两电子反应过程为： － O2 + H2 O + e － = HO2， ads + OH HO2， ads + e = HO2 总反应： O2 + H2 O + 2e － = HO2 － + OH － HO2 － + H2 O + 2e － = 3OH － 或 2HO2
PＲOGＲESS IN CHEMISTＲY
化学进展
DOI： 10. 7536 / PC141215
石墨烯基氧还原催化剂在金属空气电池中的应用