可见光光电催化锂氧气电池的设计与工作原理研究

The catalytic ability and stability of cathode catalysts are significant to Lithium oxygen batteries. A visible light photoelectrocatalytic Lithium-oxygen battery using Ti-based cathodes is proposed in this proposal. The battery performances can be enhanced by the high catalytic ability of photoelectrocatalysis and good stability of all-Ti cathodes. Furthermore, the mechanism of this novel battery will be investigated deeply. Firstly, the core-shell nanowire arrays of Ti@Ti3+-doped-TiO2 will be prepared on Ti foam as photoelectrocatalytic Lithium-oxygen battery cathodes, and the measurement methods to this battery will be explored. Secondly, electrochemical properties and electrode processes of the array electrodes under visible light photoelectrocatalysis will be studied. Thirdly, the mechanism of photoelectrocatalytic Lithium-oxygen batteries will be investigated by instrumental analysis and theoretical calculation. A novel photoelectrocatalytic Lithium-oxygen battery is proposed in this proposal, applying solar energy into secondary batteries directly, and all-Ti core-shell cathodes are designed for this battery. Ti3+-doped-TiO2 layers give the electrodes photoelectrocatalytic ability, Ti cores endow the electrodes facilitated electron channels to separate photoinduced electrons/holes immediately benefiting for the photoelectrocatalytic reaction carrying out effectively, and all-Ti structures guarantee its stability in the harsh environment of Lithium-oxygen batteries.

正极催化剂的催化能力和稳定性是影响锂氧气电池性能的重要因素。本申请提出一种使用全钛正极的可见光光电催化锂氧电池，利用光电催化的高催化能力和全钛电极的稳定性提高电池性能，并研究这种全新结构电池的工作原理。首先，在泡沫Ti上原位生长Ti3+掺杂TiO2包覆的金属Ti核壳纳米线阵列作为光电催化正极，探索光电催化锂氧电池的测试方法；第二，研究阵列电极在可见光光电催化下的锂氧电池性能和电极过程；第三，通过仪器分析与理论计算相结合，分析光电催化锂氧电池的电极反应机理。本工作将光能直接应用到二次化学电源中，提出一种全新的光电催化锂氧电池，并为其设计了一种全钛核壳纳米线阵列电极；Ti3+掺杂的TiO2层使电极拥有可见光光电催化能力，金属Ti核心提供的电子通道保证了光生电子和空穴的快速分离，有利于光电催化反应的高效进行；全钛结构则保障了电极在锂氧电池苛刻工况下的稳定性。

正极催化剂的催化能力和稳定性是影响锂氧电池性能的重要因素。本项目提出一种使用缺陷二氧化钛正极催化剂的可见光光电催化锂氧电池，利用光电催化的高催化能力和二氧化钛电极的稳定性提高电池性能；并研究这种全新电极过程的反应机理。首先，构筑Ti3+掺杂TiO2光电催化正极，探索光电催化锂氧电池的测试方法；第二，研究阵列电极在可见光光电催化下的锂氧电池性能和电极过程；第三，分析光电催化锂氧电池的电极反应机理。本工作将光能直接应用到二次化学电源中，提出一种全新的光电催化锂氧电池。.采用水热反应、质子交换及热处理方法，制备出了氧非化学计量比δ为0.0625的TiO2-δ-Ar/H2粉体催化剂，改性后的材料不仅禁带宽度降至3.17 eV，扩大了光谱响应范围，而且增强了电极的导电性，载流子浓度升至8.73×1020 cm-3。晶格中的氧空穴提高了正极材料催化电极反应的能力，电池在无光照、1 A g-1时，放电平台为2.637 V，充电平台为4.590 V，比其他粉体样品电池具有更小的过电位。在电池1 A g-1的充放电过程中引入光照，光照后的放电电压增长了0.095 V，充电电压下降了0.202 V；且光催化辅助下，电池在2 A g-1下的完成了100圈循环。使用原位气相色谱测试电池逸出的氧气量，分析发现光照时放电消耗了更多的氧气，充电也生成了更多的氧气，即光电催化辅助加快了ORR、OER反应速率。.为进一步提高正极材料的稳定性，避免导电剂、粘结剂等物质发生副反应，影响锂空气电池的电化学性能，以Ti纳米线阵列为基材，通过水热反应及热处理，在其表面自生长TiO2催化层，制备了全钛体系的核壳结构自支撑电极。Ti@TiO2-δ-Ar/H2电极的载流子浓度高达2.24×1021 cm-3，较TiO2-δ-Ar/H2催化剂电极有大幅增长。Ti@TiO2-δ-Ar/H2电极表面催化层含有部分氧空穴，氧非化学计量比δ为0.190，较TiO2-δ-Ar/H2催化剂的Ti(III)掺杂程度有所提高，这是由于核壳电极的TiO2负载含量较少，Ti4+更易于还原为Ti3+。1 A g-1放电电压产生0.068 V的增幅，充电电压也降低了0.241 V。分析充放电过程逸出的氧气量，同样可推论出光照促进了电化学反应的进行。