高活性钙钛矿氧化物作为锂空气电池氧电极催化剂的设计及改性研究

Lithium-air batteries have recently become the hot spot in the field of new energy because of their extremely theoretical energy densities as high as 11140 Wh/kg. One of the biggest challenges for Lithium-air batteries is finding a suitable highly active catalyst for oxygen electrode. In this project, a "new" design principle will adapted to design an "old" catalyst with high-performance for ORR and OER at room temperature. Based on the designed perovskites, this project will focus on improving the catalytic activity of perovskites by doping A and B sites, designing their structure, doping element and doping ration, clarifying the correlations between the electrochemical performances and structure. The proposed research will significantly enhance our understanding of several fundamental and practical issues, such as the reaction mechanism of perovskite oxides as the catalysts of lithium-air battery, the design of catalysts etc. It will be helpful in applying perovskite-type oxides that are widely used in fuel cells successfully to the novel and very promising lithium-air batteries filed. Furthermore, it will help to investigate the practical value of the catalyst, and construct lithium-air batteries with stable electrochemical performances. The technology developed under this grant will promote the development of lithium-air battery in China.

目前，锂空气电池由于其高达11140 Wh/kg的能量密度而成为新能源领域的研究热点。锂空气电池应用的难点之一在于寻找高活性的氧电极催化剂。本项目采用"新"的设计原则设计"老"催化剂钙钛矿氧化物的结构，筛选在室温下对氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）均有较高催化活性的催化剂。在设计的基础上，对钙钛矿型氧化物A、B位掺杂，提高其催化活性，通过对催化剂的结构、掺杂元素和掺杂比例进行设计，明晰其作为锂空气电池的双功能氧电极催化剂的电化学性能与结构参数之间的依赖关系，揭示钙钛矿型氧化物催化反应机理。本项目的选题将解决钙钛矿氧化物作为锂空气电池催化剂的设计、反应机理等一系列科学问题，有助于将曾经在燃料电池中得到应用的钙钛矿氧化物成功的运用在新颖的锂空气电池中，考察这种催化剂的实际应用价值，构造具有稳定电化学性能的锂空气电池，本项目的成功将对我国锂空气电池的发展起到一定的推进作用。

为了提高锂空气电池的电化学性能，本项目以钙钛矿金属氧化物为基础，开发了在室温下对氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）均有较高催化活性的催化剂。首先，基于钙钛矿结构，对催化剂的结构进行了设计。分别采用A位掺杂、B位掺杂、AB位共掺杂、氮掺杂、碳化氮复合等策略，对钙钛矿结构进行调控，提高其催化活性。研究结果表明，对LaNiO3的B位掺杂不同比例的Mg或者Fe，钙钛矿型氧化物的表面羟基氧(-OH)的含量逐渐增大，B-O2的共价程度增强，低氧化态的Ni2+的含量逐渐减小，Ni3+/Ni2+的比例逐渐增大。其ORR与OER催化性能、作为锂空电池催化剂时的电池性能都有很大提高。将g-C3N4与LaNiO3复合，在催化剂的表面吸附了更多的-OH，催化剂表面Ni3+的含量升高，复合材料作为锂空气电池氧电极相比于纯α-MnO2展现出最低的过电压，更高的首次放电容量以及最长的循环寿命。.此外，本项目通过对催化剂的结构、掺杂元素和掺杂比例进行设计，明晰其作为锂空气电池的双功能氧电极催化剂的电化学性能与结构参数之间的依赖关系，揭示了钙钛矿型氧化物催化反应机理。本项目的研究在一定程度上解决了钙钛矿氧化物作为锂空气电池催化剂的设计、反应机理等一系列科学问题，有助于将曾经在燃料电池中得到应用的钙钛矿氧化物成功的运用在新颖的锂空气电池中，考察这种催化剂的实际应用价值，构造具有稳定电化学性能的锂空气电池，本项目的成功对我国锂空气电池的发展起到一定的推进作用。