锂空电池中氧催化剂和离子液体电解液构建与匹配

Based on the background of the development of clean and efficient energy and the Li-O bond formation and activation as scientific basis, research of novel catalysts for oxygen reduction (ORR) and evolution reaction(OER) and ionic liquids (IL) electrolyte in Li-air battery will be carried out. It mainly explores the possible synergy and match between catalysts for ORR (or OER) and IL electrolyte, which could effect the Li-O bond formation and activation. With the investigation strategy of catalysis chemistry, preparation of catalytic materials for ORR and OER, choice of reaction media (electrolyte), construction of efficient catalytic reaction system, characterization and evaluation of catalytic system and exploration of reaction mechanism will be conducted. The research work are included as follows: design and preparation of a series of carbon supported complex precious metals (Au, Pt etc.) and metal oxides (MoOx, CoOx) and syntheses of functionalized IL electrolyte with ether and siloxane groups, corresponding characterization and performance testing. 1-2 kinds of highly efficient catalytic materials and IL electrolytes for Li-air battery, and the interacting and matching relations between catalytically active components with different sizes of nanometer scale and the structure of ILs are expected to be obtained and revealed, which can provide the basis for efficient cathode materials and electrolyte. This study has important significance to promote the cross-comprehension between catalytic materials and ILs, enrich the intension of catalytic science and technology and develop clean and efficient energy.

以发展清洁高效能源为背景和锂-氧键的选择形成与活化为科学基础，开展锂空电池中新型氧还原与析出催化剂和离子液体电解液构建与性能研究。重点探索氧还原与析出催化剂和离子液体电解液二者间的协同与匹配对锂-氧键的选择形成与活化规律研究。侧重催化化学研究思路来考虑氧还原与析出催化材料合成、反应介质选择（电解液）、高效催化反应体系构建、催化体系表征和评价、相关反应机理探索。具体内容：系列新型碳担载复合纳米Au、Pt等金属或Mo、Co等金属氧化物催化材料和含有醚基、硅氧烷基等功能化离子液体设计与制备，相关表征和性能研究。构建出1-2种用于锂空电池的高效纳米催化材料和离子液体电解液，揭示催化剂活性组分、纳米尺度不同与离子液体结构间的相互影响与协同匹配关系，为性能优异的空气电极催化材料和电解液提供基础。该研究对推动催化材料和离子液体介质研究的交叉综合，丰富催化科学技术内涵，发展清洁高效能源具有重要意义。

本项目针对“锂空电池中氧催化剂和离子液体电解液构建与匹配”开展了研究工作，主要研究内容及主要成果如下：.（1）采用[BMIm]2CoCl4作为前驱体、二氧化硅作为硬模版制备了氮掺杂的介孔碳负载的CoO@Co纳米粒子。该催化剂对氧析出过程具有良好的催化效果，使用该催化剂的锂氧气电池在电流密度为100 mA g-1时的充电电压仅为3.75 V。同时，库伦效率、倍率性能和循环稳定性都得到了增强。.（2）将聚离子液体包裹碳纳米管后，使咪唑阳离子与高锰酸钾的反应得到二氧化锰，减少了碳纳米管与高锰酸钾的直接反应，从而降低了含氧官能团，使得该催化剂的锂氧气电池的充放电过电势降低至0.97 V。.（3）使用含磷离子液体作为磷源和杂原子前驱体，与ZIF-67和二腈二胺一起制备了磷化钴和N、P、F三掺杂的介孔碳复合物。该催化剂的半波电位为0.86 V (vs RHE)，比Pt/C的半波电位要高30 mV。使用该催化剂的锌空气电池在电流密度为50 mA cm-2时的放电电压为1.1 V，放电容量为800 mAh g-1Zn，最高的功率密度达到180 mW cm-2。.（4）制备了CeO2-Fe2O3的纳米粒子，与单独使用KB碳作为正极材料相比，使用该催化剂后电池的放电容量和库仑效率明显提高。与TEGDME电解液相比，使用IL+TEGDME作为电解液时，充电电压明显降低，同时能量密度升高。.（5）利用1-甲基咪唑的循环伏安曲线中的两个氧化峰，使用电化学方法法对咪唑类离子液体中1-甲基咪唑的定量检测进行了研究，最低检测限可达到20-35 ppm。.（6）设计合成了一系列功能化离子液体和锂单离子导电聚合物，表征了其物理化学性质，并作为锂空气电池中电解液测试了电池性能。