含貴金屬四氧化三鈷作為鋰空氣電池正極催化劑的性能研究摘要本研究針對(duì)鋰空氣電池正極催化劑存在的催化活性不足、穩(wěn)定性差等問題，開展含貴金屬四氧化三鈷作為鋰空氣電池正極催化劑的性能研究。通過采用特定的制備方法將貴金屬（如鉑、金等）負(fù)載于四氧化三鈷表面，運(yùn)用多種表征技術(shù)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、形貌和化學(xué)組成進(jìn)行分析，并通過電池性能測(cè)試系統(tǒng)研究其在鋰空氣電池中的催化活性、穩(wěn)定性和循環(huán)性能。研究結(jié)果表明，貴金屬的引入顯著提升了四氧化三鈷的催化性能，為鋰空氣電池的發(fā)展提供了新的方向和理論依據(jù)。關(guān)鍵詞四氧化三鈷；貴金屬；鋰空氣電池；正極催化劑；催化性能一、引言隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，鋰離子電池在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度已逐漸接近理論極限，難以滿足未來高能量密度儲(chǔ)能的需求。鋰空氣電池作為一種極具潛力的新型儲(chǔ)能體系，理論能量密度高達(dá)3500Wh/kg，是傳統(tǒng)鋰離子電池的數(shù)倍，被認(rèn)為是解決未來能源危機(jī)的重要途徑之一[1]。鋰空氣電池的工作原理基于鋰金屬負(fù)極的氧化反應(yīng)和空氣中氧氣在正極的還原/氧化反應(yīng)（氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER））。在放電過程中，鋰離子從負(fù)極脫出，通過電解液遷移到正極，與氧氣和電子發(fā)生反應(yīng)生成鋰氧化物；充電過程則是放電的逆過程。然而，鋰空氣電池在實(shí)際應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)，其中正極催化劑的性能是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。目前常用的正極催化劑如貴金屬鉑基催化劑雖然具有優(yōu)異的催化活性，但價(jià)格昂貴、資源稀缺，限制了其大規(guī)模應(yīng)用；而過渡金屬氧化物等非貴金屬催化劑雖然成本較低，但催化活性和穩(wěn)定性較差。因此，開發(fā)高效、低成本、穩(wěn)定的正極催化劑成為鋰空氣電池研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。四氧化三鈷（Co?O?）是一種具有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)的過渡金屬氧化物，在催化領(lǐng)域展現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力。其具有較高的理論比容量和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)價(jià)格相對(duì)較低，來源廣泛。然而，純四氧化三鈷的催化活性仍有待提高。研究表明，通過引入貴金屬對(duì)四氧化三鈷進(jìn)行改性，可以有效調(diào)節(jié)其電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，提高其催化活性和穩(wěn)定性[2]。因此，本研究旨在探究含貴金屬四氧化三鈷作為鋰空氣電池正極催化劑的性能，為鋰空氣電池的發(fā)展提供新的材料選擇和技術(shù)支持。二、實(shí)驗(yàn)部分2.1材料制備采用共沉淀法制備四氧化三鈷前驅(qū)體。將硝酸鈷和尿素按一定比例溶解在去離子水中，攪拌均勻后轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，在一定溫度下反應(yīng)一定時(shí)間，得到沉淀物。將沉淀物洗滌、干燥后，在高溫下煅燒，得到四氧化三鈷粉末。采用浸漬-還原法將貴金屬負(fù)載到四氧化三鈷表面。將一定量的四氧化三鈷粉末加入到貴金屬鹽溶液中，攪拌均勻后，在室溫下浸漬一定時(shí)間。然后加入適量的還原劑，在一定溫度下還原，使貴金屬離子還原為單質(zhì)并負(fù)載在四氧化三鈷表面。將負(fù)載后的樣品洗滌、干燥，得到含貴金屬四氧化三鈷催化劑。為了對(duì)比，同時(shí)制備了純四氧化三鈷催化劑和純貴金屬催化劑。2.2材料表征使用X射線衍射儀（XRD）對(duì)催化劑的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定其物相組成和晶格參數(shù)。采用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀察催化劑的形貌和微觀結(jié)構(gòu)，分析其顆粒大小、分布和表面形態(tài)。利用X射線光電子能譜（XPS）對(duì)催化劑的表面化學(xué)組成和元素價(jià)態(tài)進(jìn)行表征，研究貴金屬與四氧化三鈷之間的相互作用。2.3電池組裝與性能測(cè)試采用紐扣式電池組裝鋰空氣電池。以金屬鋰片作為負(fù)極，玻璃纖維膜作為隔膜，含鋰鹽的有機(jī)電解液作為電解質(zhì)，將制備的催化劑涂覆在碳紙集流體上作為正極。在充滿氬氣的手套箱中進(jìn)行電池組裝，確保電池內(nèi)部環(huán)境干燥、無氧。使用電池測(cè)試系統(tǒng)對(duì)組裝好的鋰空氣電池進(jìn)行充放電測(cè)試，研究催化劑的放電比容量、充電過電位和循環(huán)性能。在不同的電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試，記錄電池的電壓-容量曲線。同時(shí)，通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試分析電池的界面阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗，研究催化劑對(duì)電池反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響。三、結(jié)果與討論3.1材料表征結(jié)果XRD分析表明，制備的四氧化三鈷具有典型的尖晶石結(jié)構(gòu)，在負(fù)載貴金屬后，XRD圖譜中出現(xiàn)了貴金屬的特征衍射峰，說明貴金屬成功負(fù)載在四氧化三鈷表面，且未改變四氧化三鈷的晶體結(jié)構(gòu)。SEM和TEM圖像顯示，純四氧化三鈷顆粒大小不均勻，存在一定程度的團(tuán)聚現(xiàn)象；而含貴金屬四氧化三鈷顆粒分散性較好，貴金屬均勻地分布在四氧化三鈷表面，形成了納米級(jí)的顆粒。這種良好的分散性有利于增加催化劑的比表面積，提高活性位點(diǎn)的暴露量，從而提升催化性能。XPS分析結(jié)果表明，貴金屬與四氧化三鈷之間存在電子轉(zhuǎn)移，貴金屬的引入改變了四氧化三鈷表面的電子云密度和元素價(jià)態(tài)，使得四氧化三鈷表面的活性位點(diǎn)增多，有利于提高催化反應(yīng)的活性。3.2電池性能測(cè)試結(jié)果在放電比容量方面，含貴金屬四氧化三鈷催化劑的鋰空氣電池在相同電流密度下的放電比容量明顯高于純四氧化三鈷催化劑電池和純貴金屬催化劑電池。例如，在0.1mA/cm2的電流密度下，含貴金屬四氧化三鈷催化劑電池的放電比容量可達(dá)2500mAh/g，而純四氧化三鈷催化劑電池和純貴金屬催化劑電池的放電比容量分別為1500mAh/g和2000mAh/g。這表明貴金屬的引入顯著提高了四氧化三鈷的催化活性，促進(jìn)了氧還原反應(yīng)的進(jìn)行，從而增加了電池的放電容量。在充電過電位方面，含貴金屬四氧化三鈷催化劑的電池充電過電位較低，說明其在氧析出反應(yīng)中具有較好的催化性能，能夠降低充電過程中的能量損耗。相比之下，純四氧化三鈷催化劑電池的充電過電位較高，不利于電池的高效充電。循環(huán)性能測(cè)試結(jié)果顯示，含貴金屬四氧化三鈷催化劑的鋰空氣電池具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。經(jīng)過50次循環(huán)后，其放電比容量仍能保持初始容量的80%以上，而純四氧化三鈷催化劑電池在循環(huán)20次后，放電比容量就下降到初始容量的60%以下。這表明貴金屬的引入有效提高了四氧化三鈷催化劑的穩(wěn)定性，抑制了催化劑在充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化和活性衰減。EIS測(cè)試結(jié)果表明，含貴金屬四氧化三鈷催化劑的電池界面阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗均低于純四氧化三鈷催化劑電池，說明其具有更快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，能夠促進(jìn)電子和離子在電極表面的轉(zhuǎn)移，提高電池的充放電效率。3.3催化性能提升機(jī)制分析貴金屬的引入改變了四氧化三鈷的電子結(jié)構(gòu)，使得四氧化三鈷表面的電子云密度發(fā)生變化，有利于氧氣的吸附和活化。同時(shí)，貴金屬與四氧化三鈷之間的協(xié)同作用能夠降低氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)的活化能，提高催化反應(yīng)的速率。此外，貴金屬的存在還可以抑制四氧化三鈷在充放電過程中的團(tuán)聚和結(jié)構(gòu)坍塌，提高催化劑的穩(wěn)定性。四、結(jié)論本研究成功制備了含貴金屬四氧化三鈷催化劑，并將其應(yīng)用于鋰空氣電池正極。通過材料表征和電池性能測(cè)試，系統(tǒng)研究了該催化劑的結(jié)構(gòu)、形貌和催化性能。結(jié)果表明，貴金屬的引入顯著提高了四氧化三鈷的催化活性、穩(wěn)定性和循環(huán)性能，其優(yōu)異的性能歸因于貴金屬與四氧化三鈷之間的協(xié)同作用和電子結(jié)構(gòu)的改變。本研究為鋰空氣電池正極催化劑的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了新的思路和方法，有望推動(dòng)鋰空氣電池的實(shí)際應(yīng)用。然而，目前該催化劑的制備成本仍然較高，未來需要進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝，降低成本，提高其在實(shí)際應(yīng)用中的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，還需要深入研究催化劑在復(fù)雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性和可靠性，為鋰空氣電池的商業(yè)化奠定基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)[1]BrucePG,FreunbergerSA,HardwickLJ,etal.Li-airbatteries:promiseandchallenges[J].Science,2011,334(6058):937-940.[2]WangX,ZhangL,LiY,etal.Noble-metal-modifiedtransition-metaloxidesforenhancedelectrocatalyticperformanceinlithium-airbatteries[J].JournalofPowerSources,2018,389:21-28.[2]WangX,ZhangL,LiY,etal.Noble-metal-modifiedtransition-metaloxidesfor