二氧化锰复合氧还原催化剂的研究

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1、二氧化锰复合氧还原催化剂的研究InvestigationsonManganeseDioxideCompositeCatalystsUsedforOxygenReduction工程领域：化学工程作者姓名：李耀宗指导教师：王为教授企业导师：张晶高级工程师天津大学化工学院2017年5月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做

2、的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据摘要铝-空气电池是一种极具发展潜力的新能源，用于铝-空气电池中空气电极的氧还原催化剂的研究成为

3、近年研究的热点。本文通过量子化学计算，根据能量和态密度确定了以元素锆和钼对α-MnO2纳米线进行掺杂，以制备高性能氧还原催化剂。采用水热合成法，在不同Zr/Mn、Mo/Mn离子比溶液中，制备了掺杂α-MnO2纳米线催化剂。在此基础上，进一步采用水热合成法，制备了α-MnO2/石墨烯和α-MnO2/碳纳米管复合催化剂。借助于XRD、SEM、TEM、XPS等对催化剂的成分和结构进行了表征。采用LSV、CV、EIS等电化学测试技术，研究了催化剂的电催化性能。采用水热合成法，在不同Zr/Mn离子比溶液中制备出了锆掺杂α-MnO2纳米线。将不同Zr/

4、Mn离子比溶液制备的锆掺杂α-MnO2纳米线催化剂、乙炔黑、PTFE和乙醇按照一定比例压制成膜制备成空气电极。研究表明，采用Zr/Mn离子比为1/110的溶液制备的锆掺杂α-MnO2纳米线催化剂的氧还原催化活性最佳。在3mol/LKOH溶液中，用其制备的空气电极在-0.2V电位下的电流密度可-2-2以达到60.33mA·cm，比纯α-MnO2纳米线的电流密度（49mA·cm）提高23.0%。EIS分析表明，以锆掺杂α-MnO2纳米线制备空气电极上的氧还原电化学过程是一步进行的，氧气分子的吸附步骤是空气电极上氧还原反应的速度控制步骤。DFT计

5、算表明，元素锆的掺杂，增加了α-MnO2中元素锰的d轨道态密度，且d带中心正移，这些均有利于锆掺杂α-MnO2纳米线对氧气分子的吸附。采用水热合成法，在不同Mo/Mn离子比溶液中合成出的钼掺杂α-MnO2催化剂的形貌，随Mo/Mn离子比的增加，由纳米线逐渐转变为颗粒。采用Mo/Mn离子比为1/49的溶液合成出的钼掺杂α-MnO2纳米线的性能最佳。该催化剂在0.1mol/LKOH溶液中，-0.2V电位下的电流密度比纯α-MnO2纳米线提高23.8%。EIS分析表明，钼掺杂α-MnO2催化剂上的氧还原电化学过程分两步进行，电极--过程的速度控制

6、步骤是O2还原为OH的反应。水热合成法成功制备出α-MnO2/石墨烯和α-MnO2/碳纳米管复合催化剂。其中的α-MnO2具有直径超过100nm的棒状结构，不利于氧的电化学还原。关键词：α-MnO2纳米线，氧还原，量子化学计算，掺杂I万方数据II万方数据ABSTRACTAluminum-airbatteryisanewenergywithgreatpotentialfordevelopment,oxygenreductioncatalystofairelectrodeinaluminum-airbatteryhasresearchhotin

7、recentyears.Inthispaper,basedonenergyandstatedensity,elementszirconiumandmolybdenumdopedα-MnO2nanowiresweredeterminedbyquantumchemistrycalculationtopreparehighperformanceoxygenreductioncatalysts.ThehydrothermalsynthesisofZr(Mo)-dopedα-MnO2nanowirescatalystinsolutionwithdif

8、ferentZr/Mn,Mo/Mnionicratios.Basedonthis,α-MnO2/grapheneandα-MnO2/CNTcompositecatalystswe