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
【相关文献】
1.“2合1”策略构建双功能氧电极反应电催化剂用于可充电锌-空气电池
2.碱式磷酸氢钴双功能电催化剂及其在可充电锌-空气电池中的应用
_(0.75)Sr_(0.25)MnO_(3)基钙钛矿氧化物作为可充电锌空气电池中高效耐用的双功能氧电催化剂
4.光增强型可充电锌-空气电池双功能催化剂研究进展
5.双功能双位点单原子催化剂在可充电锌-空气电池氧电催化中的研究进展
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一种金属复合氧化物为催化剂的空气电极的研究
２０ ０ ９年 １ １月
Ｎ ｖ ０９ ｏ ．２ ０
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｓ Ｉ ＣＨＩ ＯＬ ＴＨ ＮＡ ＮＯＲＭＡＬ ＵＮＩ ＶＥＲ Ｉ Ｓ ＴＹ
（ Ａ Ｕ ＡＬＳ ＩＮ Ｅ Ｅ ＩＩ Ｎ） Ｎ Ｔ Ｒ ＣＥ Ｃ ＤＴＯ
２ 结 果 与讨 论
２ １ 复合氧化物空气 电极的氧还原 电催化性能研究 ．
以金 属复合 氧化物为催 化剂 的空 气 电极在不 同 碱 性 电解 液 中的阴极 稳态 极化 曲线如 图 Ｉ所 示． 从
图 １中可 以看 出在 ３ ％ 的 Ｎ Ｏ ０ ａ Ｈ溶 液 ３ ０ｍＡ ｃ ０ ／ ｍ
１ 实验
１ １ 空气 电极的制 备及 电化学性 能测试 ．
作为阴极 ， 可以大幅度提高锌 一 空气 电池和铝 一 空 气 电池 的电压 ．
将催化剂 ， 碳粉 ， 四氟 乙烯 （ Ｔ Ｅ） 液按 一 聚 ＰＦ 乳 定 的 比例混 合后 搅 拌 均 匀 ， 压 成 膜 ． 后 将 疏 水 碾 然 膜、ｊ Ｎ 网和催化膜压 制成 电极 ．
Ｂ型 电化学工 作 站进 行 稳态 极化 曲线 ， 测试 在 室 温
下 （７ ｏ 进 行． ２ Ｃ）
电 流密 度 ｍＡ・ ｌ） ｃ ｎ
图 １ 空气电极在不同碱性电解液 中的阴极稳态极化 曲线
Ｆ ｇ １ Ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｉ ｔａ ｙ — ｓａｅ ｐ ｌｒｚ ｔ ｎ （ ｌ ｉ． ｈ ａｈ ｄｃ ｓ ｄ ｅ ｔ ｔ ｏ ａｉａｉ ｏ ３ Ｗ￣ ｏ ｉ Ｕ ｆ ａｒ
第 ２ 全 国化 学与 物 理 电 源 ８届 学术 年会 论 文 选 ・ （ 刊 ） 上 增
文章 编 号 ： ００— ４３ ２ Ｏ ） １ ０ ６ ｏ １０ ５ ６ （Ｏ９ Ｓ — ｏ４一 ２
一种金属空气电池阴极用复合催化剂及制备方法[发明专利]
![一种金属空气电池阴极用复合催化剂及制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/0c670e3d360cba1aa811dafa.png)
专利名称：一种金属空气电池阴极用复合催化剂及制备方法专利类型：发明专利
发明人：胡俊华,武智昊,曹国钦,徐恩霞,师昊森,班锦锦
申请号：CN202010743455.8
申请日：20200729
公开号：CN111834639A
公开日：
20201027
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种金属空气电池阴极用复合催化剂及制备方法，以导电碳黑与碳纳米管为原料，利用两步热处理法制备得到氮掺杂C/碳纳米管/MnO复合催化剂，氮掺杂使碳材料表面缺陷变多，MnO负载活性位点增加，且两者都提升了催化剂的催化活性。
本发明提供的方法能够通过两步热处理实现在碳材料上的氮原子掺杂和MnO的负载，实验原料易得，制备工艺简单，且实验结果表明制备出的复合材料氧还原催化活性大大增强，催化剂本身稳定性较高，对于商用金属空气电池阴极催化剂的发展有很重要的意义。
申请人：郑州大学
地址：450001 河南省郑州市高新区科学大道100号
国籍：CN
代理机构：郑州优盾知识产权代理有限公司
代理人：王红培
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1金属空气电池的研究进展
金属空气电池的研究进展引言当前全球的能源供给日趋匮乏，人们正在探索新的能源。
燃料电池作为高效、洁净、利用能源的新技术，已成为当今世界能源领域的开发热点。
金属空气电池则发挥了燃料电池的优点，以空气中的氧作为正极活性物质，金属锌（或铝、锂等）作为负极活性物质，空气中的氧气可源源不断地通过气体扩散电极到达电化学反应界面与金属锌（或铝）反应而放出电能。
由于金属空气电池的原材料丰富、性能价格比高并且完全无污染，因此，被称为是面向21世纪的绿色能源。
1 金属空气电池的结构及工作原理金属空气电池主要由正极、负极、电解液三大部分组成。
图1 为金属空气电池的构成。
图1金属燃料电池的结构示意图金属空气电池的工作原理如下：（1）正极（空气电极）一个空气电极一般由三层组成：催化层，防水透气层以及用来增加电极机械强度的金属集流导电网。
空气中的氧在电极参加反应时，首先通过扩散溶入溶液，然后在液相中扩散，在电极表面进行化学吸附，最后在催化层进行电化学还原。
因此催化层的性能和催化剂的选择直接关系到空气电极的性能的好坏。
而空气电极反应是在气、液、固三相界面上进行的，电极内部能否形成尽可能多的有效三相界面将影响催化剂的利用率和电极的传质过程。
在放电过程中，氧气在三相界面上被电化学催化还原为氢氧根离子，发生反应：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- （1）（2）负极（金属电极）金属空气电池的理论能量密度只取决于负极。
即燃料电极，这是电池中传递的惟一活性物质。
金属阳极通常都要根据具体的金属性质进行金属成分或形态的加工处理，以满足电池要求。
目前负极主要研究的有铝或锌等金属合金。
以锌为例，放电时，锌在碱性溶液中发生反应2Zn + 4OH-→ 2Zn(OH)2 + 4e- （2）在电池中发生的总反应为:O2 + 2Zn + 2H2O → 2Zn(OH)2 （3）（3）电解液空气电极在反应过程中产生氢氧根离子，它的电势一般由溶液中的氢氧根离子的浓度决定。
金属空气电池研究的关键科学问题和发展方向
金属空气电池研究的关键科学问题和发展方向金属空气电池研究的关键科学问题包括以下几个方面：1. 催化剂设计与优化：金属空气电池中的氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction, ORR)和氧析出反应(Oxygen Evolution Reaction, OER)是关键的电极反应。
目前的金属空气电池中常使用贵金属作为催化剂，而贵金属的高成本和有限的资源使金属空气电池商业化受到限制。
因此，如何设计和优化高效、低成本的非贵金属催化剂是一个重要的科学问题。
2. 金属空气电池的寿命问题：金属空气电池的寿命受到氧气的浓度、催化剂的稳定性、电解液的腐蚀性以及金属电极的腐蚀等因素的影响。
解决金属空气电池的寿命问题是一个关键的科学问题，需要寻找稳定性高、寿命长的电极材料和电解液。
3. 电池的能量密度和功率密度：金属空气电池的能量密度和功率密度对其实际应用具有重要影响。
尽管金属空气电池具有高理论能量密度，但实际应用中这一指标还有待提高。
因此，如何提高金属空气电池的能量密度和功率密度是一个重要的科学问题，需要在电池设计、材料选择、反应机理等方面进行深入研究。
金属空气电池的发展方向包括以下几个方面：1. 材料的优化：研究人员可以通过设计和合成新型催化剂、电解液和电极材料来提高金属空气电池的性能。
例如，可以开发出高效、低成本的非贵金属催化剂，以降低金属空气电池的成本。
2. 界面工程：金属空气电池中的电极-电解质界面是关键的反应界面。
通过界面工程，可以提高金属空气电池的电子传输速率和离子传输速率，从而提高电池的电化学性能。
3. 智能控制系统：开发智能控制系统可以优化金属空气电池的使用性能，例如通过温度控制、电流控制等方式，延长电池的寿命并提高效率。
4. 安全性改进：金属空气电池中的金属电极在放电过程中会生成大量的金属氢氧化物，有可能产生热量和气体，导致电池过热、爆炸等安全隐患。
因此，需要研究金属空气电池的安全性问题，并开发安全性改进的措施。
金属空气电池 deeptech
金属空气电池 deeptech金属空气电池（Metal-Air Battery）是一种基于金属和空气反应产生电能的高能量密度电池。
它具有高能量密度、环保、可重复使用等优点，在许多领域具有广阔的应用前景。
本文将介绍金属空气电池的工作原理、应用领域以及目前的研究进展。
一、工作原理金属空气电池的工作原理是通过金属与空气中的氧气反应来产生电能。
典型的金属空气电池由一个金属阳极、一个空气阴极和一个电解质组成。
金属阳极通常采用锌、铝等金属，而空气阴极则利用空气中的氧气。
当金属阳极与空气阴极和电解质联系时，金属会与氧气发生氧化还原反应，从而释放出电子，形成电流。
这种反应的化学方程式可以表示为：金属（阳极）+ 氧气（阴极）→ 金属氧化物（阳极）+ 电子（电流）金属空气电池通常需要外部供应氧气，而不像其他电池需要储存氧气。
这使得金属空气电池具有较高的能量密度，因为它可以利用周围的氧气来产生电能。
二、应用领域金属空气电池具有高能量密度、长寿命、环保等特点，因此在许多领域有着广泛的应用前景。
1. 电动车辆：金属空气电池具有高能量密度和长续航里程的特点，可以作为电动车辆的动力源。
与目前市场上常见的锂离子电池相比，金属空气电池可以大幅提高电动车辆的续航里程，减少充电时间，提高运行效率。
2. 移动设备：金属空气电池也可以应用于移动设备，如智能手机、平板电脑等。
由于金属空气电池具有高能量密度，相对于锂离子电池来说，它可以提供更长的续航时间，减少用户的充电频率。
3. 电网储能：金属空气电池还可以用于电网储能系统。
电网储能可以平衡电网的供需差异，提供稳定的电力输出。
金属空气电池的高能量密度和长寿命使其成为一种理想的电网储能技术。
4. 军事应用：金属空气电池在军事领域也有广泛的应用。
由于其高能量密度和长寿命，金属空气电池可以为军事装备提供长时间的稳定电源。
例如，潜艇和无人机可以使用金属空气电池作为其主要动力源。
三、研究进展金属空气电池在能量密度、循环寿命和成本等方面仍存在一些挑战。
锂—空气电池阴极催化剂氧化铈表面初始氧还原反应的第一性原理研究
华中科技大学硕士学位论文摘要为了应对由二氧化碳排放造成的温室效应，全世界都在竭力发展太阳能、风能等新能源技术。
由于新能源技术输出不稳定的原因，在其发展过程中，高能量密度电池起到关键作用。
在目前已存在的所有类型电池中，锂-空气电池（LOBs）由于具有与汽油相当的高理论能量密度，受到了全世界科研工作者的广泛关注，但是其发展仍然存在许多瓶颈，例如较大的过电势和较差的循环性能。
作为锂-空气电池阴极的催化剂，CeO2展现出了对氧还原反应和氧析出反应良好的催化性能，特别是在放电过程开始阶段。
为了获得CeO2表面上初始氧还原反应的微观机理，本文采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，系统地研究了CeO2(111)表面上的氧吸附、锂吸附和初始氧还原反应（ORR）反应过程。
根据CeO2表面晶格氧较易析出的特点，构建了三种不同的CeO2 (111)表面（标准化学计量，标记为ST；表面氧空位，标记为SOV；和次表面氧空位，标记为SSOV）；研究了氧气和锂原子在这些表面上吸附过程。
结果表明：在ST和SSOV CeO2 (111)表面上的氧气吸附是弱吸附，而在SOV CeO2 (111)表面，氧气吸附是强吸附；锂原子在所有CeO2(111)表面上都是强吸附，并且会导致表面一个最近或次近的Ce4+被还原为Ce3+，当该Ce3+位于离吸附的锂原子次近的位置（NN）时，吸附作用最强；此外，态密度（DOS）计算结果进一步验证了Ce4+被还原为Ce3+的结论；基于三种表面对氧气和锂原子不同的吸附性能，研究了这些表面上ORR反应可能的路径，以及该路径中反应中间物和产物的自由能变化和结构参数等。
结果表明：由于氧气吸附后填补氧空位、锂吸附和氧化时的高放热，SOV CeO2 (111)表面具有最佳初始ORR反应催化性能；在SOV CeO2 (111)表面的所有可能产物中，存在一种放热较多且拥有Li2O2（0001）表面相似结构参数的Li3O2分子簇，该Li3O2簇可以为Li2O2晶体生长提供合适的位置。
金属空气电池空气电极的催化剂研发
金属空气电池空气电极的催化剂研发随着全球对可再生能源的需求不断增加，金属空气电池作为一种高效、环保且具备巨大潜力的能源存储技术，正在受到广泛关注。
而金属空气电池中的空气电极，特别是其催化剂的研发，对于提升电池的能量密度和稳定性至关重要。
本文将就金属空气电池空气电极的催化剂研发进行探讨。
1. 金属空气电池的基本原理金属空气电池采用金属与空气中的氧气之间的氧化还原反应来释放电能。
在正极，金属与氧气发生反应生成氧化物，而在负极，电流流经外部回路，形成闭合电路。
这种电池的重要优势在于其高能量密度和低成本。
2. 空气电极中催化剂的作用在金属空气电池中，空气电极起到多个重要作用。
它不仅仅是电子的传导通道，还需要能够有效催化氧气还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR），以加速氧气在电极表面的反应速率，并降低反应的过电位。
因此，空气电极的催化剂成为了研发的重点。
3. 催化剂研发的挑战目前，常用的金属空气电池催化剂主要有铂族元素，如铂、钯等。
然而，这些催化剂非常昂贵且稀缺，限制了金属空气电池的商业应用。
因此，研发廉价、高效的替代催化剂成为解决之道。
4. 新型催化剂的探索为了寻找合适的替代催化剂，研究人员将目光聚焦在非贵金属催化剂上。
例如，过渡金属氮化物和碳族化合物等都显示出了良好的催化活性。
此外，纳米材料和多孔材料的结构设计也能够提高催化剂的活性和稳定性。
5. 异质催化剂的应用另一种研发方向是采用异质催化剂。
在这种设计中，将两种不同的催化剂组合在一起，以协同提高反应速率和效率。
例如，将过渡金属催化剂和碳基催化剂组合，可以形成良好的催化界面，提供更多的反应活性位点。
6. 电化学研究的重要性在催化剂研发中，电化学性能的评估显得尤为重要。
通过电化学实验，可以确定催化剂的氧还原反应动力学和稳定性，并优化催化剂的表面形貌和组成结构。
7. 未来展望金属空气电池是一种具有广阔应用前景的能源存储技术。
电池用氧电极催化剂的研究现状
收稿日期:2002206210 作者简介:黄庆华(1977—),男,河北省人,硕士研究生,研究方向为高能化学电源。
Biography :HUAN G Qing 2hua (1977—),male ,candidate for mas 2ter.电池用氧电极催化剂的研究现状黄庆华, 李振亚, 王 为(天津大学化工学院,天津300072)摘要:氧电极催化剂一直是金属空气电池和燃料电池领域研究的热点。
综述了电池用氧电极电催化剂的研究进展,包括贵金属催化剂(铂、铂合金和银)、钙钛矿型氧化物催化剂、金属有机螯合物催化剂和其它催化剂,认为MnO 2电催化剂与上述催化剂相比,最大的优势在于价格低廉,具有非常广阔的应用前景。
并对氧电极催化剂的研究进行了展望,认为寻找廉价、高效的催化剂已成为提高氧电极性能的关键。
这个问题一旦解决,必将大大推动金属空气电池和燃料电池的发展。
关键词:电池;氧电极;电催化剂;氧还原中图分类号:TM 911.4 文献标识码:A 文章编号:10022087X (2003)增20241204State 2of 2art of re search on electrocatalyst for oxygen electrode in batteryHUAN G Qing 2hua ,L I Zhen 2ya ,WAN G Wei(School of Chemical Engi neeri ng and Technology ,Tianji n U niversity ,Tianji n 300072,Chi na )Abstract :Electrocatalyst for oxygen electrode is the focal point of study on metal 2air cell and fuel cell.The progress and state 2of 2art of the research on electrocatalyst of oxygen electrode for batteries ,including noble metalcatalysts (platinum ,platinum 2based alloy and silver ),perovskite oxides catalysts ,organometallic chelae cata 2lysts and other new catalysts for oxygen reduction ,are reviewed.MnO 2is considered to be the cheapest electro 2catalyst with broad application prospect compared with the above electrocatalysts.The development of the elec 2trocatalyst for oxygen electrode is also prospected and the conclusion is that seeking the catalyst with low cost and high efficiency is the key factor to improve the performance of oxygen electrode and to accelerate the devel 2opment of metal 2air cell and fuel cell.K ey w ords :battery ;oxygen electrode ;electrocatalyst ;oxygen reduction 随着石油资源的枯竭,原油价格上升,环境污染日益严重,燃料电池和金属空气电池的发展在国际上引起广泛重视。
锂空气_氧气_电池的研究进展
锂空气(氧气)电池 的研究进展摘要：锂/空气电池的理论能量密度高达11140 Wh/kg，是现有电池体系1-2个数量级，但目前仍存在许多制约其应用的因素，而其中寻找合适的电解液以及高效的氧还原催化剂尤为重要。
本文综述了锂空气（氧气）电池的研究进展，并对发展趋势和存在的关键进行了分析和展望。
全球范围内已积极开展了提高锂电池的能量密度和电极材料的稳定性的研究，寻找比能量更高、更便宜的正极材料一直是锂电池发展的方向。
但是，锂电池中的正极材料局限了锂电池的贮能性能。
目前大部分正极材料的电化学容量只有200 mAh/g左右，比如成功商业化的锂离子电池正极材料LiCoO2的电化学容量只有大约140 mAh/g。
另外，锂离子在金属正极材料的扩散系数较低，也限制了锂电池的能量输出。
在所有的电池负极材料中金属锂具有最低的密度，最高的理论电压，最好的电子电导，同时其电化学容量达3860 mAh/g，所以近十几年来以金属锂为基础的电池主导了高性能电池的发展。
水系电解质锂空气电池很早就有人研究，电池放电反应方程为：4Li + O2 + 2H2O → 4LiOH（E=3.35V），放电过程中，金属锂、水和氧气被消耗产生LiOH，由于金属表面生成了一层保护膜而阻碍了腐蚀反应的快速发生。
但是在开路状态下和低功率状态下，金属锂的自放电率相当高，伴随着锂的腐蚀反应: Li + H2O → LiOH + 1/2H2，该反应的发生降低了电池负极的库仑效率，同时也带来了安全上的问题。
综合考虑到实用性、成本和安全性，水系锂空气电池非金属空气电池的首选。
有机系锂/空气电池在当前诸多的电池体系中具有最高的能量密度，排除氧气后的能量密度达到惊人的11140 Wh/kg，高出现有电池体系1-2个数量级。
本文综述了新型有机系锂空气（氧气）电池的研究进展，并对发展趋势和存在的关键进行了分析和展望。
1 锂空气电池的反应机理我们现在说的锂/空气电池通常是指有机系电解液锂空气电池(下面我们提到的锂空气电池都是这种有机系列的)，这是近几年刚刚发展起来的新型电源体系，目前在国内外从事锂/空气电池研究的很少。
氧还原催化剂的制备及电化学性能的研究
氧还原催化剂的制备及电化学性能的研究摘要：随着环境问题越来越引起人们的关注，环境保护已成为可持续发展的核心。
全球都致力于研究高效节能环保的新型能源。
燃料电池是一种可以高效地将燃料和氧化剂转化为电能的发电装置。
世界经济和科技的日益发展离不开能源。
随着现代社会在工业、农业、科技、信息技术等各个方面的飞速发展，石油、天然气、煤等不可再生的常规能源消耗已经日渐殆尽，同时常规能源使用排放的有毒有害物质引发的环境问题、生态问题也随之加剧。
因此，幵发新能源、环保能源具有重大深远的意义，势必成为当今科研的主流趋势。
本文就氧还原催化剂的制备及电化学性能进行分析与研究关键词：氧还原催化剂；制备；电化学性能引言氧还原反应是众多新型电池正极电极所发生的过程。
促进其反应过程一直以来是电化学领域研究的侧重方向，故而开发和研究氧还原催化剂性能的工作显现出极高的科研价值和应用价值。
做为众多电化学工作者的研究热点，电催化氧还原技术具备广泛的应用范围，长期以来，由于电化学催化氧还原技术在燃料电池、微生物燃料电池、高级电氧化技术、水处理等方面越来越多的应用，使化学修饰电极电催化领域得到普遍关注。
催化剂在电极表面的氧还原反应中起到了非常重要的作用，制备一种高性能、低成本、对环境友好的催化剂是非常有价值的。
一、氧还原反应在氧还原电极上，氧发生的还原反应是个复杂的过程，氧还原反应涉及4个电子及2～4个质子的转移，和0-0键的断裂，由于其复杂性，可以写出各种各样的反应机理。
通常，依照中间产物过氧化氢（H2O2)的生成与否，其历程主要包括两类：1.直接四电子反应途径：此类途径并没有可检测的过氧化氢。
0-0键在吸附氧分子时断裂变为吸附氧原子MO，在酸性溶液中，氧分子持续得到四个电子还原为H2O，在碱性溶液中，还原为OH-。
在酸性介质中：02+4H++4e →2H20, E=1.229V在碱性介质中：02+2H20+4e →40H，E=0.401V2.间接二电子反应途径：在碱性溶液中，碳、石墨、金、汞等电极上02还原主要是此途径，其过程有中间产物过氧化氢生成，在氧分子吸附时先得到两电子还原为H202或H02，0-0键并不断裂，并没有催化剂时再还原为H20，或者存在催化剂情况下被催化剂分解。