AuPt@C空气电极的磁电沉积可控构筑及催化性能

In response to the two problems of lithium air batteries, which are the poor efficiency of catalyst on oxygen evolution reaction and the poor stability of liquid electrolyte, AuPt@C air electrodes will be constructed controllable by magneto-electrodeposition, and the catalytic activities and the electrochemical stabilities of the electrodes in solid-state lithium air batteries using gel polymer electrolytes (GPE) will be studied in this project.Clarity of the structure-activity relationship between the material structure of catalytic positive electrode and catalytic properties will provide a theoretic foundation for optimizing positive-electrode / solid-electrolyte interface structure and the catalyst@carrier positive-electrode structure. AuPt nano particles will be magneto-electrodeposited on carbon paper. The effect of magneto-electrodeposition technical parameters on the compositions and structure of AuPt@C air electrodes will be studied. A relationship mapping model of technical parameters and electrode structures established by Artifical Neural Network (ANN) will be used to predict the controllable construction conditions for getting AuPt bi-functional catalyst with appropriate size and high active surface area.Gel ploymer electrolyte (GPE) membranes, which have high conductance and wide electrochemical window, will be used to assemble solid-state lithium air batteries. The properties of the batteries and the product distribution of electrode reactions will be studied. The Oxygen Reduction Reaction (ORR)and Oxygen Evolution Reaction(OER) will be clarified. The consistence of the AuPt@C air electrode and the GPE membrane will be evaluated.The effect of impurities, temperature, and abuse conditions will be researched on the electrochemical stabilities of the catalyst and the carrier.The main influence factors will be determined and the catalytic failure mechanism will be put forward.

针对锂空气电池存在的催化剂不能有效催化氧气析出反应和液体电解质稳定性差的问题，本项目用磁电沉积法可控构筑AuPt@C空气电极，研究其在凝胶聚合物电解质(GPE)固态锂空气电池中的催化活性和电化学稳定性，明确正极催化材料结构与催化性能的构效关系，为正极/固体电解质界面结构和催化剂@载体正极结构的优化提供理论基础。 在碳纸上磁电沉积AuPt纳米颗粒，研究沉积工艺对AuPt@C空气电极结构的影响规律。用人工神经网络建立工艺与结构的映射模型，预测具有恰当尺寸和高活性表面的AuPt双功能催化剂的可控制备条件。使用高电导率和宽电化学窗口的GPE组装固态锂空气电池，表征电池性能，研究电极产物分布，明确氧气还原/析出反应历程，评价AuPt@C空气电极与GPE的相容性。研究杂质、温度和滥用条件对催化剂和载体电化学稳定性的影响，确定主要影响因素，提出催化失效机制。

锂空气电池具有非常高的理论能量密度，是非常有潜力的动力电池。锂空气电池需要使用合适的催化剂来提高氧气还原/析出反应速率，尤其是使用具有双向催化能力的催化剂，例如AuPt合金，来提高电池的循环和倍率性能。与水热合成法相比，使用电沉积法制备合金催化剂的工艺过程不需要高温环境，更加环保，材料利用率高，催化剂的回收再利用也简单易行。本项目在正极碳材料上磁电沉积制备了AuPt纳米颗粒作为催化剂，并研究其磁电沉积机制、与凝胶聚合物电解质的相容性、正极催化性能和废旧固态锂空气电池回收工艺。.研究发现，在含有8mmol·L-1氯金酸、12 mmol·L-1氯铂酸和0.5mol·L-1硫酸的镀液体系中，在室温条件下电流密度为20mA·dm-2时电镀15~25s可以得到分布均匀、粒径约100nm、对氧气具有较好的催化能力的AuPt合金颗粒。在恒电流电沉积时，施加磁场对于AuPt的组成和结构并无明显影响。随着磁感应强度的提高，AuPt合金对于O2的双向催化活性不断增强。在-0.1V恒电势沉积条件下施加1T平行磁场，电沉积制备的CP/C/AuPt空气电极组装而成的锂空气电池具有较优的性能，在0.05mA·cm-2电流密度下放电平台为2.5V，放电比容量达到3200mAh·g-1。.与离子液体电解液相比，凝胶聚合物电解质膜的使用并没有使电池放电容量有所提升，但可使电池放电电压提升200~300mV。而且凝胶聚合物电解质膜对锂片的保护稍微优于离子液体电解液。失效的锂空气电池体积明显膨胀，约80%的失效锂空气电池的平均厚度增加值在0.4~0.6mm之间。离子液体电解质的用量越大，厚度增加值越小。固态锂空气电池通过手工拆解和盐酸溶解后，基本能够实现完全回收利用。.本项目的研究为构筑高催化活性和高电化学稳定性的AuPt@C正极催化材料提供了磁电沉积的新方法，为材料结构优化提供了理论支持。本项目所确定的关于正极材料、凝胶聚合物电解质的制备方法等可以实际应用到其他的相关研究中，所明确的磁电沉积的电化学反应规律可以指导磁电沉积其他金属的制备。