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20241204

State 2of 2art of re search on electrocatalyst for oxygen electrode in battery

HUAN 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 metal

catalysts (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。作为电池的正极,氧电极过程可逆性小,还原困难,成为电池反应的主要障碍,在贵金属上其交换电流密度约为10-10

A/cm 2

。

如何提高氧电极的活性一直是燃料电池和金属空气电池领域

研究的重点之一。

由于氧电极反应历程的复杂性,高效氧电极催化剂必须能同时催化两个阶段的反应———氧还原和过氧化氢分解。然而不同的反应阶段对催化表面的要求有时是彼此矛盾的,降低极化的途径之一是采用混合催化剂,使各反应阶段均能各自在对其有利的反应表面上进行。氧电极催化剂的研究主要集中在贵金属催化剂、金属复合氧化物催化剂(尖晶石型、烧绿石型、钙钛矿型)、有机催化剂等方面。本文将着重介绍贵金属催化

剂、钙钛矿型氧化物催化剂和有机螯合物催化剂以及其它催化剂近年的研究现状。

1　贵金属催化剂

常用的贵金属催化剂是铂系催化剂,它们用作氧电极显示出良好的催化活性。许多工作者研究了铂晶粒大小对催化能力的影响。Bett 等人[1]发现铂晶粒在3～40nm 时,催化能力与晶粒大小无关。然而Sattler 等人[2]研究了更小的铂晶粒

(018～50nm ),结果表明当晶粒尺寸小于3.5nm 时,铂的催化

活性也随之降低,认为这是因为如此小的晶粒通过与碳的相互作用或是离解氧的双位吸附,使铂丧失了一些金属特性。

Ross [3]等人有用循环伏安法研究了Pt (100)面和Pt (111)面在0.5mol/L H 2SO 4中的行为,发现Pt (100)面在氧化物的形成一

还原区域(+500mV )展现了更好的可逆性,它的还原峰与Pt

(111)面的相比对应着更正的电势,表明Pt (100)面比Pt (111)

面更加有利于氧的还原。

在酸性溶液中,铂合金催化剂已逐渐取代了纯铂催化剂,这样不仅提高了铂的利用率,还降低了电极成本,成为今后发展的方向。Myong 2ki 等人[4]认为在相同的表面积下,Pt 合金