摘 要

目前，锂离子电池广泛应用于手机和笔记本电脑中，现在也在汽车行业中有所涉及，但其比能量不高已成为影响其发展的致命缺点。锂空气电池因具有较高的能量密度而引起人们的广泛注意，但缓慢的氧还原和氧析出速率反应限制了锂空气电池的发展。虽然贵金属催化剂能显著改善氧还原和氧析出反应，但是引用贵金属导致的高成本限制了锂空气电池的发展。碳基材料催化剂作为一种非贵金属催化剂，具有环境友好性、稳定性、抗腐蚀性和高效率等特点，成为锂空气电池催化剂研究的热点之一。

本论文研究采用环保无毒的多巴胺作为碳源，经高温热解后形成导电性良好的碳材料，探究不同PDA的浓度、乙醇与水的体积比、合成时间对聚多巴胺微观形貌的影响；再对聚多巴胺进行热解处理，探究掺杂金属离子浓度、煅烧温度和煅烧时间对聚多巴胺碳化的影响，利用旋转圆盘电极装置测试其电化学催化性能。

研究表明多巴胺浓度为1.0g/L，乙醇与水的体积比为1:4时合成的聚多巴胺微观结构为球形，形貌最佳；掺杂铁离子与多巴胺摩尔浓度比为1:16，在700℃下煅烧5h得到的催化剂电化学性能最好。

本文特色：通过研究不同合成和烧结条件，力求得到性能最优的金属离子掺杂碳基材料催化剂。

关键词：碳基材料；多巴胺；掺杂改性；煅烧；电化学性能

Abstract

At present, lithium cells are widely used in mobile phones and computers. Now they are also used in the automotive industry, but their low specific energy has become a fatal defect affecting its development. Lithium air batteries have attracted wide attention because of their high energy density. However, the slow oxygen reduction and oxygen release reactions restrict the development of them. Although noble metal catalysts can significantly improve oxygen reduction and oxygen precipitation reactions, the development of lithium air batteries is limited by the high cost of precious metals. As a kind of non precious metal catalyst, carbon based material catalyst has the characteristics of environmental friendliness, stability, corrosion resistance and high efficiency. It has become one of the hot spots in the research of lithium air battery catalyst.

This paper studies the use of environmentally friendly and non-toxic dopamine as a carbon source, after high temperature pyrolysis to form a good conductive carbon material and try to explore the effects of the concentration of dopamine, the volume ratio of ethanol to water, and synthesis time on the micromorphology of polydopamine. The influence of the concentration of doped metal ions, calcination temperature and calcination time on the carbonization of dopamine was also studied.

The results show that the best morphology is synthesized when the molar concentration of dopamine is 1.0g/L ,the volume ratio of ethanol to water is 1:4 and the microstructure of dopamine is spherical. In addition, when the ratio of iron ion to dopamine is 1:16 and the catalyst obtained by calcining 5h at 700℃ is the best.

This article features: through different synthesis and sintering conditions, we strive to get the best performance of metal ion doped carbon based materials.

Key Words：Carbon based materials;dopamine;doping modification;calcination; electrochemical properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1锂空气电池 1

1.1.1锂空气电池原理 1

1.1.2锂空气电池的应用及发展 2

1.2析氧反应与氧还原反应 2

1.2.1析氧反应（OER）机理 2

1.2.2氧还原反应（ORR）机理 3

1.3氧还原反应催化剂 4

1.3.1贵金属催化剂 4

1.3.2碳基非贵金属催化剂 5

1.4本课题的立题意义和研究内容 5

第2章 不掺杂金属聚多巴胺（PDA）前驱体的制备 7

2.1实验原料与仪器 7

2.1.1实验原料 7

2.1.2实验仪器 7

2.2实验步骤 8

2.2.1不同多巴胺浓度对比 8

2.2.2不同乙醇与水的体积比对比 8

2.2.3不同合成时间对比 8

2.3多巴胺（PDA）球体的表征 9

2.3.1PDA的显微结构表征方法 9

2.3.2表征结果 9

第3章 金属掺杂前驱体的煅烧条件对电化学性能影响 12

3.1实验过程 12

3.1.1不同金属离子掺杂浓度对比 12

3.1.2不同煅烧温度对比 12

3.1.3不同煅烧时间对比 12

3.2碳基材料的表征方法 13

3.2.1物相表征 13

3.2.2电化学性能表征 13

3.3表征结果 14

3.3.1 SEM表征结果 14

3.3.2 XRD表征结果 15

3.3.2电化学表征结果 17

第4章 结论与展望 26

参考文献 27

致谢 28

1. 绪论

随着科学技术和经济的持续发展，人们对能源的需求日益增加，目前常见的石油等不可再生资源供应远不及人们的生产生活需要，面临着稀缺的危险，并且各种能源的开发利用工程对环境或多或少的造成了一定伤害，人们非常急切地希望着研究出一种清洁而高效的能源，因此，用于替代不可再生资源的新型能源陈为了目前各地研究人员研究的重点。由相关研究已知，锂空气电池的理论比能量相当高，几乎可以与汽油的比能量相提并论^[1]。现在已知的锂离子电池已经在电动汽车方面有广泛的投入使用，而作为比能量更高的锂空气电池如果能代替锂离子电池，电动汽车的效率将大大提升，因此，近十年，特别是最近几年，锂空气电池正在被广泛的研究。而作为影响锂空气电池效率的阴极催化剂，这几年也逐渐成为了研究的热门项目。

1.1锂空气电池

1.1.1锂空气电池原理

锂空气电池中，金属Li参与负极反应，空气中的氧气参与正极反应^[2]。如图1.1所示，锂空气电池的正极发生还原反应，当空气中的O₂接触阴极材料时，被吸附在电极表面，同时O₂会得到电子生成OH^-，电解质溶液中，OH^-由于存在浓度梯度而通过被输送至到达负极；金属Li在负极发生氧化反应，失去的电子通过外电路到达正极形成回路，放电时具体电极反应如下：

正极反应：O₂ (g) 4e^- 2H₂O = 4OH^-