λ-MnO2的制备及在二次锌锰电池和氧电极催化中的应用

作     者：胡岩 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王洁欣;潘军青

授予年度：2015年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：LiMn2O4 λ-MnO2 二次锌锰电池 钙钛矿 氧电极催化剂 

摘      要：随着电子科技的发展,锌锰电池作为历史最悠久、发展最成熟的电池产品,其需求量及产量在逐年上升。然而,目前市场上的锌锰电池基本为一次电池,使用后大量的丢弃不仅是对资源的浪费,也对自然环境造成严重的污染。因此,探索研究循环性能好、充放电比容量高的二次锌锰电池迫在眉睫。本论文通过实验合成一种尖晶石结构的λ-MnO2,电化学实验显示在偏酸性的混盐溶液中,这种材料可充性能优异,故将这种材料作为二次锌锰电池的正极进行研究。此外,在化学电源的成员中,作为新能源电池,燃料电池因具有高效、清洁、安全等优点,而显示出广阔的发展前景。然而,这种电池的瓶颈主要是氧电极催化剂。研究价格低廉、催化活性高的催化剂是燃料电池实现商品化的必经之路。研究表明,二氧化锰的氧催化为“准四电子氧气还原催化历程,被认为是能够替代贵金属的氧还原催化剂。本论文合成的λ-MnO2,材料的高比表面积以及大孔径表明了该晶体有很好的催化性能,故将制备的λ-MnO2,作为氧电极催化剂进行研究。全文的主要内容和创新点如下：1.首先采用高温固相法制备了前驱体LiMn2O4,接着通过酸处理前驱体得到λ-MnO2。通过一系列测试,确定了最佳合成条件为：常温下0.2 mol/L的稀盐酸不断机械搅拌处理前驱体12 h。对比前驱体LiMn2O4,产物λ-MnO2,晶面间距、晶胞参数有所减小,晶胞有轻微的收缩现象。2.将合成的三维尖晶石结构的λ-MnO2,应用于二次锌锰电池。电化学测试结果显示,电池的电化学反应为扩散控制,较传统的碱性锌锰电池工作电压(0.6～1.5 V)相比,该电池的放电电压为1.5～2.1 V,提高了50%左右。电池拥有长寿命,在充放电循环1000周期时,比容量为99.0mAh/g,衰减为第一周期的77.28%。倍率实验结果表明,在20C进行充放电时,电池依旧能给出38.3 mAh/g的放电比容量,能够满足快速充放电的供应网。3.采用溶胶凝胶法合成了钙钛矿La0.8Ce0.2MnO3粉体,将其作为掺杂剂,应用于λ-MnO2的氧电极催化的研究中。结果表明,λ-MnO2较电解二氧化锰产品催化性能有了明显的提高;由于协同作用,同时掺杂La0.8Ce0.2MnO3后的催化剂较λ-MnO2有显著提高,其中,掺杂剂以掺杂质量比λ-MnO2:La0.8Ce0.2MnO3=10:1时,催化性能最优。