金属空气电池阴极氧还原催化剂研究进展
氧电催化剂综述
氧电催化剂综述一、引言氧电催化剂在能源转换和存储领域具有举足轻重的地位。
随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，高效、清洁的能源转换技术受到了广泛关注。
氧电催化剂作为燃料电池、金属-空气电池以及水电解等关键能源转换技术的核心组件，其性能直接影响到这些技术的效率和可行性。
因此，对氧电催化剂的研究和开发具有重要的现实意义和战略价值。
二、氧电催化剂的基本原理氧电催化剂主要涉及到氧气在电极表面的还原反应（ORR）和析出反应（OER）。
在燃料电池和金属-空气电池中，ORR是阴极反应，而在水电解过程中，OER则是阳极反应。
这两个反应的动力学过程相对缓慢，需要高效的催化剂来降低反应活化能，从而提高反应速率。
氧电催化剂通常由活性组分、载体和助剂三部分组成。
活性组分是催化剂中起主要催化作用的物质，载体则用于分散活性组分，提高催化剂的比表面积和稳定性，而助剂则可以调节催化剂的电子结构和表面性质，进一步优化催化性能。
三、氧电催化剂的研究进展近年来，氧电催化剂的研究取得了显著进展。
以下从贵金属催化剂、非贵金属催化剂和碳基催化剂三个方面进行简要概述。
1. 贵金属催化剂铂（Pt）和钯（Pd）等贵金属催化剂在ORR和OER中表现出优异的催化性能。
然而，贵金属催化剂的高成本、稀缺性以及稳定性问题限制了其在大规模应用中的推广。
为了降低贵金属催化剂的成本和提高稳定性，研究者们采用了多种策略，如合金化、核壳结构、载体优化等。
这些策略在一定程度上提高了贵金属催化剂的性能和稳定性，但仍需进一步探索和改进。
2. 非贵金属催化剂非贵金属催化剂主要包括过渡金属氧化物、氢氧化物、硫化物、氮化物等。
这些催化剂在ORR和OER中具有一定的催化活性，且成本较低，因此被认为是贵金属催化剂的潜在替代品。
然而，非贵金属催化剂的催化性能和稳定性尚不能满足实际应用的要求。
为了提高非贵金属催化剂的性能，研究者们采用了掺杂、纳米结构调控、表面修饰等方法，取得了一定的成果。
金属空气电池的研究及应用
金属空气电池的研究及应用作为能源领域的重要研究方向之一，金属空气电池具有高能量密度、长寿命、可重复充电等优点，被认为有望成为未来电动汽车和储能系统的重要组成部分。
在这篇文章中，我们将探讨金属空气电池相关的研究进展和应用前景。
1. 金属空气电池的基本原理金属空气电池是一种基于化学反应产生电能的电池。
其基本原理是利用储存在金属中的化学能与空气中的氧气发生化学反应，释放出电子和离子，产生电能。
具体来说，金属空气电池由电极、电解质和空气组成。
其中，金属电极通常采用锌、铁、铝等金属，而空气则作为氧化剂参与反应。
反应生成的离子和电子穿过外电路形成电流，完成电能的转换。
2. 金属空气电池的发展历程金属空气电池起源于20世纪初，最初被用于军事领域的雷达和无人机等设备中。
随着技术的不断发展，金属空气电池逐渐应用于民用领域。
目前，金属空气电池的主要研究方向包括提高电池的能量密度、延长电池的寿命、实现可重复充电等。
尤其是近年来，固态金属空气电池等新型金属空气电池的研究得到了较大的关注，并显示出广阔的应用前景。
3. 金属空气电池的应用前景金属空气电池具有诸多优点，如高能量密度、长寿命、环保等，因此被广泛应用于电动汽车、无人机、太阳能储能系统等领域。
其中，最具潜力的应用领域是电动汽车。
目前，电动汽车广泛使用的锂离子电池存在能量密度低、成本高、充电时间长等问题，而金属空气电池可以克服这些问题，有望成为电动汽车的新一代动力源。
4. 金属空气电池面临的挑战和未来发展趋势虽然金属空气电池具有广阔的应用前景，但其发展仍面临着一些挑战。
例如，由于金属空气电池的电解质一般使用碱性电解质，电极易受碱性腐蚀，影响电池寿命。
此外，金属空气电池的反应产物也会造成电极泄露、环境污染等问题。
为克服这些问题，需要从材料、结构、制备等多个方面进行研究。
未来，金属空气电池的发展趋势是实现高能量密度、长寿命、可重复充电、低成本等多个方面的优化。
为此，需要不断研究先进的电极材料、新型电解质、高效氧还原催化剂等。
浅谈燃料电池阴极氧还原催化剂的研究进展
浅谈燃料电池阴极氧还原催化剂的研究进展一、催化剂的基本原理燃料电池是一种通过将化学能转换为电能的装置，其中氧还原反应是其核心反应之一。
在燃料电池的阴极上，氧气分子在催化剂的作用下发生还原反应，释放出电子并结合质子生成水。
在传统的燃料电池中，常用的阴极氧还原催化剂是铂和其合金材料。
铂等贵金属催化剂价格昂贵，资源有限，因此燃料电池阴极氧还原催化剂的研究主要集中在寻找替代材料或构筑新型结构的催化剂上。
二、研究现状近年来，燃料电池阴极氧还原催化剂的研究取得了一系列重要进展。
一方面，通过掺杂、合金化、复合等方法，已经成功地制备出了一系列具有良好氧还原活性和稳定性的非贵金属催化剂。
铁、镍、钴基催化剂及其氧化物等，在氧还原反应中表现出良好的催化性能。
碳材料也常用作载体，通过调控碳材料的晶相结构、孔径大小和表面性质，能够显著提高催化剂的活性。
纳米技术的发展为燃料电池阴极氧还原催化剂的研究提供了新的思路和方法。
纳米催化剂具有较大的比表面积和较短的传质路径，能够显著提高催化剂的活性和稳定性。
纳米颗粒、纳米线、纳米孔等纳米结构的催化剂，具有优异的氧还原活性和电化学性能。
通过调控催化剂的形貌、尺寸和晶相等因素，还能够进一步提高催化剂的性能。
三、未来发展趋势燃料电池阴极氧还原催化剂的研究虽然取得了一系列重要进展，但依然面临着许多挑战。
一方面，大部分非贵金属催化剂的活性和稳定性仍然不及铂基催化剂，因此需要进一步提高非贵金属催化剂的性能。
非贵金属催化剂的制备成本也需要进一步降低，以满足实际应用的需求。
纳米催化剂的合成和表征技术还有待进一步完善，以有效控制催化剂的形貌、尺寸和晶相等因素。
对于燃料电池阴极氧还原催化剂的实际应用也需要进一步研究，包括催化剂的耐久性、毒物耐受性、水和二氧化碳的耐受性等。
燃料电池阴极氧还原催化剂的研究进展是一个长期而艰巨的任务，但随着材料科学和纳米技术的不断发展，相信燃料电池阴极氧还原催化剂会迎来更加广阔的发展前景。
异质结构碳材料的金属空气电池应用研究进展
Vol.53 No.6June,2021第 53 卷 第 6 期2021 年 6 月无机盐工业INORGANIC CHEMICALS INDUSTRYDoi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0235开放科学(资源服务)标志识码(OSID)异质结构碳材料的金属空气电池应用研究进展郝跃辉，成怀刚,钱阿妞（山西大学资源与环境工程研究所，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室，山西太原030006）摘 要:金属空气电池在可穿戴电子产品和能源储存领域中具有巨大的应用潜力，然而稳定性差和能量效率低的问题限制其性能的进一步提高。
电化学氧还原反应（ORR ）和氧析岀反应（OER 冤对于金属空气电池的性能起着至关重要的作用。
发展催化活性高、稳定性好的空气电极催化剂是未来的研究趋势。
碳材料因具有导电性优异、结构多 样等优势已被广泛用作金属空气电池的导电骨架支撑材料和电催化材料，成为研究的热点。
对非金属原子掺杂碳材 料、过渡金属及其衍生物掺杂碳材料以及单原子催化剂作为单功能或双功能催化剂的研究进行综述，着重介绍了其在金属空气电池中的应用，对空气电极催化剂存在的问题进行总结，并对未来的发展方向进行展望。
关键词:金属空气电池;碳材料;异质结构;空气电极催化剂中图分类号:TQ131.11 文献标识码:A 文章编号：1006-4990（2021）06-0023-08Research progress of hetero -structured carbon materials formetal-O 2 batteries applicationsHao Yuehui , Cheng Huaigang , Qian Aniu(Institute of R esources and Environmental Engine e r ing , St-at-e Environmental Protection Key Laboratory ofEffcientUtilization Technology of Coal Waste Resources , Shanxi University , Taiyuan 030006, China)Abstract : Metal-O 2 batteries have great potential in the fields of wearable electronic devices and energy storages.However ,poor stability and low energy efficiency limit further improvement in their electrochemical performance.Electrochemical oxy gen reduction reaction ( ORR ) and oxygen evolution reaction ( OER ) play a vital role in the performance of metal-O 2 batteries.The research trend focus on the development of catalysts as electrodes with high catalytic activity and good stability.Carbon materials have been widely used as conductive framework support and electro-catalysts for Metal-O 2 due to their excellent electrical conductivity and diverse structures , which have been become the research hotspot.In this paper , the research of nonmetal heteroatomic doped carbon materials , transition metal and its derivatives doped carbon materials , and single-atom cata lysts as mono-functional or bi-functional catalysts were reviewed.Their application in metal -O 2 batteries were introduced in detail.The existing problems of air-electrode catalyst were summarized , and the future development direction was prospected. Key words : metal-O 2 battery ； carbon materials ； hetero-structures ； catalysts随着能源、医疗和环境等领域对高效且智能的电子产品的需求日益迫切，为这些设备提供能量的 储能器件成为近年来的研究热点。
金属空气电池的研究进展与应用前景探讨
金属空气电池的研究进展与应用前景探讨一、引言金属空气电池是一种新型高能量密度的电池，其电化学反应基于金属颗粒和空气中的气体反应，具有能量密度高、环保、无污染、可重复使用、可持续发展等优点，被认为是未来绿色能源的发展方向之一。
本文将就金属空气电池的研究进展和应用前景进行探讨。
二、金属空气电池的基本原理金属空气电池底物主要是金属颗粒和空气中的气体，电池工作时，金属颗粒与空气中的氧气发生化学反应，释放出电子和氢离子，形成氧化物及其它化合物，并产生电能。
其基本反应式可以表示为：Me + O2 + 2H2O → Me(OH)2 + 2e- + 2OH-其中，Me表示金属；O2表示氧气；H2O表示水；Me (OH) 2表示对应金属的氢氧化物。
通过逆反应，可以对电池进行再生。
三、金属空气电池的研究进展目前，金属空气电池的研究主要集中在以下几个方面：1、金属空气电池的电极材料金属空气电池的电极材料主要包括阳极和阴极。
其中，阳极是金属颗粒，可以使用锌、铝、铁等金属；阴极材料一般采用铂、碳、氧化锌等材料。
此外，近年来，石墨烯等新型材料也被尝试用于金属空气电池的电极材料。
2、金属空气电池的反应机理金属空气电池的电化学反应机理至今尚未完全清楚。
一些研究进展表明，在金属空气电池中，金属衰减现象和氧还原过程是主要限制因素。
因此，深入研究金属空气电池的反应机理是提高其性能和稳定性的关键。
3、金属空气电池的性能与稳定性金属空气电池的性能和稳定性是影响其应用前景的重要因素。
当前主要研究方向包括增加电池的能量密度和电化学反应效率，降低电解质的阻抗和改善电池的循环寿命等。
四、金属空气电池的应用前景金属空气电池在移动电源、储能、新能源汽车等领域有着广泛的应用前景。
1、移动电源金属空气电池具有高能量密度、轻便的特点，可以应用于移动电源，在手机、笔记本电脑等移动设备中替代电滑板车，改善电源历史中的闪存现象，使使用更加便捷。
2、储能金属空气电池在储能方面也具有广泛的应用前景。
氧还原反应机理及其在电化学能源设备中的应用
氧还原反应机理及其在电化学能源设备中的应用氧还原反应（ORR）是一种重要的电化学反应，常用于燃料电池、金属-空气电池、锂空气电池等能源设备中。
了解氧还原反应的机理对于优化电化学能源设备性能以及新能源技术的发展至关重要。
本文将介绍氧还原反应的机理，并探讨其在电化学能源设备中的应用。
氧还原反应是氧气在电化学系统中参与的反应，其过程可以分为几个步骤：吸附、电子传递和解吸附。
首先，氧气分子从气体相吸附到电极表面，形成吸附态氧物种（O*）。
接下来，电子从电极传递给吸附态氧物种，形成氧吸附物种（O2-）。
最后，氧吸附物种解吸附，生成氧气分子。
这个反应过程可以用以下半反应表示：O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O在酸性介质中，氧还原反应的催化剂通常是过渡金属离子，如Pt、Pd、Ir等。
这些过渡金属催化剂能够提供活性位点，促进氧分子的吸附和反应。
然而，这些贵金属催化剂的成本较高，因此开发更便宜和高效的催化剂一直是研究的热点。
近年来，非贵金属催化剂在氧还原反应中表现出良好的性能，成为研究的焦点之一。
例如，碳基催化剂，如碳纳米管、石墨烯和多孔碳材料，具有高表面积和丰富的官能团，能够有效地吸附氧气分子并催化氧还原反应。
此外，含有过渡金属、杂原子或氮气等原子的碳基催化剂也展现出良好的活性和稳定性。
这些非贵金属催化剂不仅能够降低能源设备的制造成本，还可以减少对贵金属资源的依赖，具有广阔的应用前景。
氧还原反应在电化学能源设备中具有广泛的应用。
其中，燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，氧还原反应是燃料电池中负极（阴极）的关键反应。
燃料电池通过利用氢气或其他可燃物质与氧气的反应来产生电能，实现了高效能源转换的过程。
优化氧还原反应的催化剂可以提高燃料电池的能量转换效率和稳定性。
此外，金属-空气电池和锂空气电池也是利用氧还原反应来产生电能的设备。
金属-空气电池通过金属阳极（如锌）与空气中的氧气反应，产生电能。
锂空气电池则通过将锂阳极的锂离子与空气中的氧气反应，实现高能量密度和长循环寿命的电池系统。
铝空气电池研究现状与发展趋势
铝空气电池研究现状与发展趋势铝空气燃料电池的理论比能量可达8100Wh/kg，具有成本低、比能量密度和比功率密度高等优点。
作为一种特殊的燃料电池，铝空气电池在军事、民用、以及水底动力系统、电信系统后备动力源和便携式电源等应用方面具有巨大的商业潜力。
金属空气电池概述锂离子电池拥有较高的比能量，是目前研究较成熟且已经大规模商用的二次电池，但是近几年来，面对移动电子设备和电动汽车等领域的巨大发展，锂离子电池已难于满足其大容量的需求，特别是对能源依赖性很强的动力电池体系。
因此，拥有比锂离子电池比容量大几倍的金属空气电池应运而生，比如锌空气电池、铝空气电池、镁空气电池、锂空气电池等。
由于这类电池的正极活性物质主要来源于空气中的氧气，理论上的正极活性物质的量是无限的，所以电池理论容量主要取决于负极金属的量，这类电池拥有更大的比容量。
其中，铝空气燃料电池的理论比能量可达8100Wh/kg，具有成本低、比能量密度和比功率密度高等优点。
作为一种特殊的燃料电池，铝空气电池在军事、民用、以及水底动力系统、电信系统后备动力源和便携式电源等应用方面具有巨大的商业潜力。
铝空气电池结构和原理从现有的研究成果和电池特性来分析，铝空气电池具有如下特点：（1）比能量高。
铝空气电池是一种新型高比能电池，理论比能量可达到8100Wh/kg 目前研发的产品已经能达到300-400Wh/kg，远高于当今各类电池的比能量。
（2）比功率中等。
由于空气电极的工作电位远离其热力学平衡电位，其交换电流密度很小，电池放电时极化很大，导致电池的比功率只能达到50-200W/kg。
（3）使用寿命长。
铝电极可以不断更换，因此铝空气电池寿命的长短取决于空气电极的工作寿命。
（4）无毒、无有害气体产生。
电池电化学反应消耗铝、氧气和水，生成Al2O3˙nH2O，可用于干燥吸附剂和催化剂载体、研磨抛光磨料、陶瓷及污水处理的优良沉淀剂等。
（5）适应性强。
电池结构和使用的原材料可根据实用环境和要求而变动，具有很强的适应性。
可充电锌空气电池双功能催化剂的研究进展
可充电锌空气电池双功能催化剂的研究进展
张立波;刘中原;李一枫;计文希
【期刊名称】《石油化工》
【年(卷),期】2024(53)4
【摘要】可充电锌空气电池具有能量密度高、环境友好、安全性好和成本低等优势,是非常有前景的新型储能体系,但面临着能量转换效率低、充放电稳定性差和电流密度低等缺点,需开发可同时催化氧还原反应/析氧反应的高催化性能双功能催化剂。
现有的双功能催化剂存在贵金属催化剂价格昂贵、非贵金属催化剂稳定性差和碳载体腐蚀严重等问题。
综述了近年来双功能催化剂作为空气电极在可充电锌空气电池中的应用进展,包括金属-有机骨架基催化剂、无金属基碳催化剂、金属基催化剂,分析了它们的优缺点,提出了双功能催化剂的一些设计思路,最后对双功能催化剂未来的研究和应用方向进行了展望。
【总页数】7页(P601-607)
【作者】张立波;刘中原;李一枫;计文希
【作者单位】中石化(北京)化工研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ426
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