文 献 综 述

1.引言

随着人类社会经济的不断发展，能源的消耗总量也在不断增加，但人类文明在得到了快速发展的同时，由于化石燃料的大量使用，也造成了环境污染和能源枯竭等不可逆的严峻后果。据科学研究，煤炭是2042年之后唯一可用的化石燃料，而到2112年，目前地球上已知的所有化石燃料储备都将被耗尽。因此，发展廉价清洁的可再生能源已经成为当务之急。

燃料电池是洁净高效利用能源的新技术，金属空气电池又被称为”半燃料”电池，性能介于原电池与燃料电池之间，不但具备燃料电池的优势，也克服了燃料电池在一些方面的不足。它以空气中的氧气作为正极活性物质,若在空气中使用，理论上电池的正极材料是无限的，因此使电池具有性能稳定、能量密度高的特点。以金属单质或合金作为负极活性物质,其资源丰富廉价，可再生利用、反应物与产物完全无污染，铝空气电池的理论比能量可达到8100Wh/kg，工业比能量达到300~400Wh/kg，具有优异的环境协调性。在众多金属空气电池中，铝空气电池具有能量密度高、安全、成本低、无污染、放电电压平稳等优点，且铝资源丰富，能再生利用。然而铝空气电池的大规模商业化受到了与铝阳极相关的一些固有缺点的阻碍，铝阳极在溶解时，金属铝表面形成一层钝化膜，抑制铝的失电子氧化反应，进而使得铝电极电位升高，导致电池电压下降；铝表面的氧化膜破坏后，会大量析氢，并且铝本身溶解难以停止，最终导致严重的电池自腐蚀放电。且铝阳极不可逆，电池只能放电不可充电。

研究表明，解决上述问题的一种行之有效的方法是用离子液体电解质代替传统的水系电解质。此外，空气阴极是铝空气电池充放电另一个关键因素，氧还原反应(ORR)和氧生成反应(OER)的过电势严重降低了可充电铝空气电池的输出功率和循环效率。因此，想要发挥可充电铝空气电池的全部潜能，需要发展高性能、低成本的双效空气阴极催化剂从而降低ORR和OER过电势。因此，在离子液体电解质的基础上，本课题旨在制备双功能催化剂并应用在可充电铝空气电池中。

2.研究现状

研究指出，双功能催化剂可以通过降低充放电反应过电势来提高循环性能，双功能催化剂通过两种方式催化ORR和OER，一种是通过协同作用降低过电势的组合多功能组分催化剂，另一种是对ORR和OER起到双催化作用的单组分催化剂。近年来，发展双功能催化剂已取得重大成就，铝-空气电池是此类催化剂的最典型应用。以下介绍国内外研究者研究并应用于铝空气电池的几种催化剂。

2.1层状过渡金属氧化物催化剂

过渡金属氧化物(TMOs)由元素周期表d区的过渡金属与氧结合而成，它的最大优势是可以通过改变键合结构从而改变自身的氧化态，具有高丰度、低成本和环境友好等优点，已广泛应用为金属空气电池阴极催化剂。对于电化学中的ORR和OER过程来说，最让人们感兴趣的是层状过渡金属氧化物。层状结构TMO由堆积的准二维片材构成，这些片材通过范德华力和强大的平面内共价键相互作用而弱结合在一起，与其主体对应物相比通常具有增强的电化学性质^[1]。常见的层状过渡金属氧化物主要有三种：

2.1.1过渡金属的二维层状氧化物