论文总字数：20757字

摘 要

钙钛矿型LaMnO₃由于其自身特性，具有良好的导电性和催化性能，因此常被用作空气电极催化剂，通过对其A、B位其他元素的掺杂，可以让其具有丰富多样的特性。

本文以锌空气电池空气电极钙钛矿型催化剂纳米LaMnO₃为研究对象，使用PEG-2000作为表面活性剂，对LaMnO₃的B位用溶胶凝胶法进行Ni元素的掺杂，制备纳米LaMn_1-xNi_xO₃（x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5）材料，采用XRD、TEM、红外、热重等表征手段对物相组成、晶体结构进行辅助分析，利用极化曲线测试和充放电循环测试来测试其电化学性能。研究表明：固定溶液初始pH为6.5，表面改性剂PEG-2000与金属元素离子物质的量之比为0.018:1，在700℃高温下煅烧三小时，对LaMnO₃的B位进行Ni元素的不同比例掺杂，制备得到纯净无杂质的纳米钙钛矿型LaMn_1-xNi_xO₃催化剂，颗粒表面积增大，晶粒尺寸大约在20nm左右。在所制备的一系列催化剂中，以LaMn_0.6Ni_0.4O₃的电催化性能最好，当极化电压为-599mV时，最大放电电流密度为0.1374A·cm，比不掺杂Ni时高出了52.67%。不同Ni掺杂量的LaMn_1-xNi_xO₃催化剂制成的空气电池充放电性能研究表明：用LaMn_0.6Ni_0.4O₃作为催化剂制成的空气电池充电截止电压最低，放电比容量最高，循环寿命最长。由于充电截止电压低，所以电极中活性炭的腐蚀缓慢，空点电池循环寿命长，经过50次充放电后保持率达71.59%，放电比容量为407.02mAh/g。

关键词：锌空气电池 纳米LaMn_1-xNi_xO₃ 溶胶凝胶法 制备 电化学性能

Study on the Preparation and Properties of Nano-LaMn_1-xNi_xO₃ Catalysts for Zinc-air Battery

Abstract

Perovskite-type LaMnO₃ has good electrical conductivity and catalytic performance due to its own characteristics, therefore it is often used as an air electrode catalyst. By doping other elements at A and B sites, they can have a variety of characteristics.

In this paper, zinc-air battery air electrode perovskite catalyst nano-LaMnO₃ as the research object, doping of Ni element in B position of LaMnO₃, the nano-LaMn_1-xNi_xO₃ ( x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5) materials had been prepared with sol-gel method by using PEG-2000 as a surfactant, The phase composition and crystal structure of nano-LaMn_1-xNi_xO₃ had been analyzed by using XRD, TEM, FTIR, TG-DSC, etc. and there electrochemical performance had been studied by using the polarization curve test and charge-discharge cycle test. The results showed that when the initial pH of the fixed solution was 6.5, and the ratio of the surface modifier PEG-2000 to the metal ion species was 0.018:1, after calcination at 700°C for three hours, the Ni element in the B position of LaMnO₃ was different proportional doping, the pure and impurity-free nano-perovskite type LaMn_1-xNi_xO₃ catalysts could be prepared, which particle surface area increases, the grain size is about 20nm or so. In the prepared series of catalysts, LaMn_0.6Ni_0.4O₃ has the best electrocatalytic performance. When the polarization voltage is -599mV, the maximum discharge current density is 0.1374A.cm, which is higher than that of undoped Ni. 52.67%. The charge-discharge performance of air batteries made of different Ni-doped LaMn_1-xNi_xO₃ catalysts shows that air batteries made with LaMn_0.6Ni_0.4O₃ as the catalyst have the lowest charge-off voltage, the highest specific discharge capacity, and the longest cycle life. Since the charge-cutoff voltage is low, the corrosion of activated carbon in the electrode is slow, and the cycle life of the empty cell is long. After 50 times of charge and discharge, the retention rate is 71.59%, and the discharge specific capacity is 407.02 mAh/g.

Keywords: zinc air battery； Nano-LaMn_1-xNi_xO₃；sol-gel method；preparation；electrochemical performance

目 录

第一章 文献综述 1

1.1 锌—空气电池 1

1.1.1锌—空气电池发展概况 1

1.1.2锌—空气电池的结构及特性 1

1.1.3锌—空气电池的工作原理 3

1.1.4锌—空气电池空气电极结构 4

1.2锌—空气电池空气电极催化剂 5

1.2.1 碳材料 6

1.2.2 贵金属 6

1.2.3金属有机鳌合物 6

1.2.4金属氧化物 7

1.3 本文研究目的 8

1.4 研究内容 8

第二章 实验方法 9

2.1 主要药品和实验仪器 9

2.2 锌空气电池的制备 10

2.2.1 LaMn_1-xNi_xO₃钙钛矿型催化剂的制备 10

2.2.2 集流体选择 11

2.2.3 防水透气层的制备 11

2.2.4 催化层的制备 12

2.2.5 空气电极的制备 12

2.2.6 锌电极的制备 12

2.2.7 电解液的配制 12

2.2.8 电池模型的制备 12

2.3 LaMn_1-xNi_xO₃粉体表征 13

2.3.1 X射线衍射分析（XRD） 13

2.3.2透射电子显微镜分析（TEM） 13

2.3.3热分析（TG-DSC） 13

2.3.4 傅里叶红外分析（FTIR） 13

2.4 电化学性能测试 13

2.4.1 空气电极极化曲线测试 13

2.4.2恒电流充放电测试 14

第三章 实验结果及分析 15

3.1 LaMnO₃ B位掺Ni的表征测试 15

3.1.1 LaMn_1-xNi_xO₃的前驱体的热分析 15

3.1.2 LaMn_1-xNi_xO₃前驱体煅烧前后红外光谱分析 16

3.1.3 LaMn_1-xNi_xO₃催化剂的XRD分析 17

3.1.4 LaMn_0.6Ni_0.4O₃催化剂的透射电镜分析 18

3.2 不同镍掺杂量LaMn_1-xNi_xO₃催化剂的影响 19

3.2.1 LaMn_1-xNi_xO₃催化剂空气电极极化曲线分析 19

3.2.2 恒流充放电测试 21

第四章 结论 27

参考文献 28

致 谢 30

第一章 文献综述

1.1 锌—空气电池

有关能量的转化和利用的话题一直为人们所关注^[1]，化学电池可以将化学能变为电能，自十九世纪开始就已经开始逐步研究发展，它在我们世界的各个领域已经被广泛的接纳。在各种类型的空气电池中，锌—空气电池以其比能量高、价格低等优势受瞩目，发展潜力很大^{[2, 3]}。

1.1.1锌—空气电池发展概况

自19世纪70年代起，人们开始使用锌片制作负极，碳和铂做空气电极，NH₄Cl溶液做电解质，制成世界上首个锌—空气电池^[4]。虽然其形状和结构与锌锰干电池相似，但单是电池的容量就是锌锰电池的两倍。但因为那时的锌—空气电池在放电过程中的电流密度相对较小，只有0.3mA/cm²，其优越性并没有得到显现。到了1932年，人们发现采用碱性电解液能使电解液电导率得到提升，电池内阻降低，但当时因为没有合适的电极结构以及有效的催化剂，锌—空气电池并没有得到广泛使用。20世纪60年代，研制出高效的气体电极，极大地推动了高性能锌空气电池的进步。1965年，以PTFE为粘合剂，研制出一种新型的气体稀薄扩散电极方法，得到了广泛的认可和应用，电极厚度为0.12~0.5mm，放电电流密度约1000mA/cm²。1967年，将PTFE制成防水透气层后，对电极进行了进一步的改进，研制出具有固定结构的能够让气体扩散的空气电极，让电极能在常温常压下正常运作。随后电池再经过改良后实用性增加，在很多领域中都发挥出了巨大的作用。

请支付后下载全文，论文总字数：20757字