2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——鋰空氣電池的高效電催化劑研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述鋰空氣電池在能量密度方面的優(yōu)勢(shì)，并指出其商業(yè)化面臨的主要電化學(xué)挑戰(zhàn)，特別是與電催化劑相關(guān)的挑戰(zhàn)。2.比較貴金屬催化劑（如Pt）和非貴金屬催化劑（如NiO）在應(yīng)用于鋰空氣電池氧還原反應(yīng)（ORR）時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。3.簡述結(jié)構(gòu)調(diào)控在設(shè)計(jì)和制備鋰空氣電池高效電催化劑中的重要性，并列舉至少三種通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善催化劑性能的方法。4.電化學(xué)窗口是指什么？它對(duì)鋰空氣電池電催化劑的選擇有何影響？5.描述鋰空氣電池中副鋰化（SideLithiation）現(xiàn)象的形成機(jī)理，并簡述抑制副鋰化對(duì)提高電池性能的重要性。二、論述題（每題15分，共45分）1.論述過渡金屬氧化物/硫化物作為鋰空氣電池正極電催化劑的研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析其活性位點(diǎn)、反應(yīng)機(jī)理以及穩(wěn)定性方面的研究現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)。2.闡述電解液在鋰空氣電池中的重要作用，并討論不同類型的電解液（如液態(tài)有機(jī)電解液、液態(tài)無機(jī)電解液、固態(tài)電解質(zhì)）對(duì)電催化劑性能（如活性、選擇性、穩(wěn)定性）的影響。3.結(jié)合你所學(xué)知識(shí)，探討提高鋰空氣電池電催化劑穩(wěn)定性的幾種可能策略，并分析這些策略可能帶來的潛在問題或挑戰(zhàn)。試卷答案一、簡答題1.答案：鋰空氣電池的理論比容量極高（約1100mAh/g），能量密度大，且使用環(huán)境友好（空氣作為氧化劑）。但其商業(yè)化面臨的主要電化學(xué)挑戰(zhàn)包括：氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）動(dòng)力學(xué)緩慢，過電位高；產(chǎn)生的Li?O?等產(chǎn)物導(dǎo)電性差，易在電極表面堆積導(dǎo)致電池極化嚴(yán)重；催化劑本身易被電解液腐蝕或自身發(fā)生副反應(yīng)；CO?等雜質(zhì)氣體會(huì)與Li?O?反應(yīng)影響電池循環(huán)壽命。這些都與電催化劑的性能（活性、選擇性、穩(wěn)定性、本征電導(dǎo)率）密切相關(guān)。解析思路：首先回答Li-air電池的核心優(yōu)勢(shì)（高理論容量）。然后，重點(diǎn)列出其在電化學(xué)層面，特別是與催化劑相關(guān)的核心問題：ORR/OER動(dòng)力學(xué)慢、過電位高；產(chǎn)物L(fēng)i?O?導(dǎo)電性差導(dǎo)致極化；催化劑穩(wěn)定性差及易被腐蝕；電解液與CO?的副反應(yīng)影響壽命。這些問題都需要高效電催化劑來解決或緩解。2.答案：貴金屬催化劑（如Pt）具有極高的本征催化活性，特別適用于ORR，能顯著降低過電位，且通常具有良好的穩(wěn)定性和選擇性。但其成本極高，資源稀缺，且在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定性可能不如非貴金屬。非貴金屬催化劑（如NiO）成本較低，儲(chǔ)量豐富，在堿性介質(zhì)中通常表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，且可以通過結(jié)構(gòu)調(diào)控獲得較高的活性。但其本征催化活性通常低于貴金屬，尤其是在ORR方面，過電位較高，且部分非貴金屬在酸性或堿性條件下可能存在相變或溶解問題影響長期穩(wěn)定性。解析思路：采用對(duì)比分析法。先分別闡述貴金屬（Pt）的優(yōu)勢(shì)（高活性、高穩(wěn)定性、高選擇性）和劣勢(shì)（成本高、稀缺）。再分別闡述非貴金屬（NiO）的優(yōu)勢(shì)（低成本、豐富、堿性穩(wěn)定）和劣勢(shì)（本征活性相對(duì)較低、可能存在穩(wěn)定性問題）。對(duì)比兩者在Li-air電池ORR應(yīng)用中的核心差異。3.答案：結(jié)構(gòu)調(diào)控對(duì)于改善催化劑的比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、離子遷移通道以及與電解液的接觸界面至關(guān)重要。比表面積越大，可提供更多的活性位點(diǎn)；合適的孔隙結(jié)構(gòu)有利于電解液滲透和產(chǎn)物脫附；通過摻雜、表面改性、形貌控制（如納米顆粒、納米線、納米片）等手段可以調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化吸附能，從而提高催化活性；設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)（如多級(jí)孔道）可以促進(jìn)離子傳輸，抑制副反應(yīng)；良好的表面形貌和潤濕性有助于改善催化劑與電解液的相容性，提高穩(wěn)定性。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以平衡活性、穩(wěn)定性和成本，實(shí)現(xiàn)催化劑性能的優(yōu)化。解析思路：從宏觀到微觀，多角度闡述結(jié)構(gòu)的重要性。從比表面積、孔隙率對(duì)活性位點(diǎn)數(shù)量的影響，到電子結(jié)構(gòu)調(diào)控對(duì)反應(yīng)路徑能壘的影響，再到離子通道和界面相容性對(duì)穩(wěn)定性和傳輸?shù)挠绊?，全面解釋結(jié)構(gòu)如何影響催化性能。列舉具體調(diào)控手段作為例證。4.答案：電化學(xué)窗口是指電解液能夠穩(wěn)定存在的最低電位到最高電位的范圍。它規(guī)定了電池能夠安全工作的電壓區(qū)間。對(duì)于鋰空氣電池電催化劑而言，其選擇必須在電解液的電化學(xué)窗口之內(nèi)。如果催化劑的活性電位過于正或過于負(fù)，超出了電解液的穩(wěn)定窗口，就會(huì)導(dǎo)致電解液發(fā)生分解，產(chǎn)生副產(chǎn)物，這不僅會(huì)消耗電解液，改變電池內(nèi)部環(huán)境，影響電催化劑的正常工作，甚至可能形成絕緣層覆蓋在電極表面，阻礙反應(yīng)進(jìn)行，從而降低電池的性能和壽命。解析思路：先定義電化學(xué)窗口。然后強(qiáng)調(diào)其對(duì)電池工作的限制作用。最后重點(diǎn)分析電催化劑活性電位與電解液電化學(xué)窗口的關(guān)系，解釋窗口選擇不當(dāng)（電位過高或過低）會(huì)導(dǎo)致電解液分解，進(jìn)而對(duì)電池性能產(chǎn)生負(fù)面影響。5.答案：副鋰化是指鋰離子直接嵌入到正極材料或通過電解液與電極反應(yīng)，而不是通過正常的氧化還原半反應(yīng)生成鋰金屬的過程。在鋰空氣電池中，尤其是在放電過程中，如果ORR產(chǎn)物L(fēng)i?O?的形態(tài)不佳（如絕緣的Li?O?），或者電解液中的雜質(zhì)（如水、醇類）與鋰金屬或Li?O?發(fā)生反應(yīng)，都可能導(dǎo)致副鋰化。副鋰化會(huì)消耗活性鋰，形成鋰枝晶等結(jié)構(gòu)，增加電池內(nèi)阻，惡化循環(huán)性能，甚至引發(fā)安全問題。抑制副鋰化是提高鋰空氣電池庫侖效率和長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵。解析思路：首先定義副鋰化現(xiàn)象。然后具體說明在Li-air電池中副鋰化的可能途徑：不良Li?O?形態(tài)、電解液雜質(zhì)反應(yīng)。最后闡述副鋰化的危害，即消耗活性物質(zhì)、增加內(nèi)阻、影響循環(huán)和安全，點(diǎn)明抑制副鋰化的意義。二、論述題1.答案：過渡金屬氧化物/硫化物因具有成本低廉、資源豐富、環(huán)境友好、易于通過調(diào)控合成多種形貌和化學(xué)組成等優(yōu)點(diǎn)，成為鋰空氣電池正極電催化劑的研究熱點(diǎn)。研究表明，多種過渡金屬（如Ni,Co,Mn,Fe,Cu等）的氧化物（如NiO,Co?O?,MnO?,Fe?O?,CuO等）和硫化物（如MoS?,NiS,CoS等）都表現(xiàn)出一定的ORR和OER活性。其活性位點(diǎn)通常被認(rèn)為是過渡金屬的表面原子或缺陷位點(diǎn)。反應(yīng)機(jī)理研究表明，這些催化劑通常通過吸附O?分子或中間體（*O,*OH等），降低ORR/OER的過電位。然而，這些催化劑普遍面臨穩(wěn)定性差的問題，主要表現(xiàn)為在堿性電解液中易發(fā)生溶解、氧化還原反應(yīng)或相變，導(dǎo)致活性迅速衰減。此外，產(chǎn)物的形態(tài)（如Li?O?或Li?O）及其導(dǎo)電性也是影響電池性能的關(guān)鍵因素。提高其本征活性、長期循環(huán)穩(wěn)定性和產(chǎn)物導(dǎo)電性仍然是該領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)。解析思路：分為現(xiàn)狀、機(jī)理、挑戰(zhàn)三個(gè)部分?，F(xiàn)狀：說明該類催化劑的優(yōu)勢(shì)（成本低、豐富）和研究熱度。機(jī)理：簡述活性位點(diǎn)（金屬表面/缺陷）及對(duì)ORR/OER的催化作用（吸附中間體降能壘）。挑戰(zhàn)：重點(diǎn)分析穩(wěn)定性問題（溶解、相變等），以及產(chǎn)物形態(tài)和導(dǎo)電性問題，指出這些是當(dāng)前研究的主要難點(diǎn)。2.答案：電解液在鋰空氣電池中扮演著傳遞鋰離子、參與電化學(xué)反應(yīng)、溶解或穩(wěn)定催化劑以及浸潤電極/隔膜等多重關(guān)鍵角色。它是連接正極（空氣/產(chǎn)物）和負(fù)極（鋰金屬）的“媒介”。不同類型的電解液對(duì)電催化劑性能的影響顯著。液態(tài)有機(jī)電解液（如碳酸酯類溶劑）通常具有較好的離子電導(dǎo)率，但易與空氣中的CO?反應(yīng)生成碳酸鋰，覆蓋在電極表面或嵌入Li?O?中，導(dǎo)致催化劑失活和電池性能惡化。液態(tài)無機(jī)電解液（如高氯酸鋰-氨水體系）具有更高的理論電壓窗口和一定的CO?容忍性，但對(duì)極材料的兼容性可能較差，易引起副反應(yīng)。固態(tài)電解質(zhì)（如LLZO,LISICON,鈦酸鋰等）旨在完全隔絕空氣和液體電解液，提供機(jī)械支撐，可能抑制副鋰化和CO?影響，但其離子電導(dǎo)率通常較低，與電極的界面接觸電阻大，且電極/電解質(zhì)界面穩(wěn)定性（SEI）問題突出，這些都會(huì)影響催化劑的正常工作環(huán)境和活性。此外，電解液的粘度、極性、與催化劑和隔膜的相容性等也會(huì)間接影響電池的動(dòng)力學(xué)性能和穩(wěn)定性。解析思路：先概述電解液的核心功能。然后分類型（有機(jī)、無機(jī)、固態(tài)）討論其對(duì)催化劑及電池性能的具體影響。對(duì)于每種類型，分析其優(yōu)缺點(diǎn)如何通過影響催化劑的工作環(huán)境（如副產(chǎn)物生成、離子傳輸、界面穩(wěn)定性、電導(dǎo)率）來體現(xiàn)。3.答案：提高鋰空氣電池電催化劑穩(wěn)定性的策略多種多樣，主要包括：①表面改性：通過表面包覆（如Al?O?,ZrO?,C等）或沉積惰性金屬（如Pd）來保護(hù)催化劑核心材料，防止其在反應(yīng)過程中被腐蝕或發(fā)生相變。②結(jié)構(gòu)優(yōu)化：設(shè)計(jì)多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)（宏觀、介觀、微觀），增大比表面積，縮短離子/電子傳輸路徑，同時(shí)保證電解液的有效浸潤和產(chǎn)物脫附。構(gòu)建穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用不同組分的協(xié)同效應(yīng)提高穩(wěn)定性。③組分調(diào)控：通過摻雜（金屬或非金屬元素）引入額外活性位點(diǎn)或調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)催化劑的本征穩(wěn)定性。優(yōu)化過渡金屬的價(jià)態(tài)和化學(xué)計(jì)量比。④電解液匹配：選擇與催化劑和隔膜具有良好相容性、低腐蝕性且能抑制副鋰化和副反應(yīng)的電解液體系，甚至開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)。⑤反應(yīng)條件控制：控制極化程度，