α-MnO2纳米线/石墨烯三维电催化剂及镁空气电池性能研究

Clear energy materials is gaining tremendous importance for developing novel electrochemical power sources, while metal/air batteries have received intense attention because of the novel properties during the past few years. Among various air batteries, Mg/air battery system has the advantages of a high theoretical voltage and energy density, environmental friendliness, plentiful resources for Mg, low cost, and high safety performance. However, the limitation of practical Mg/air batteries for energy conversion efficiency lies in three vital scientific issues: (1) high polarization for cathode at a high current density, (2) passivation of the Mg anode by the formation of a Mg(OH)2 film in common electrolyte, and (3) low electrochemical activity of Mg anode. To overcome these drawbacks, this project have been focused on the controllable preparation of α-MnO2 nanowires/graphene three dimentional (3D) electrocatalyst via high-efficient microwave irradiation process, and further studies the close-relationship between the composition, phase, surface defect, morphology and the oxygen reduction performance. In order to satisfy the discharge requirements for cathode electrocatalyst at high current density, a novel electrolyte (the mixture of ionic liquid, Mg(NO3)2 and NaNO2) are employed to dramatically reduce corrosion rate and increase anodic activity. In summary, the project aims at the scientific basic research of 3D electrocatalysts to greatly improve the energy conversion efficiency of Mg/air battery.

清洁能源材料是开发新型化学电源的关键，而金属空气电池是近年来化学电源的研究热点。镁空气电池拥有理论比容量高、能量密度高、镁储量丰富、价格低廉、安全性高等优点，其开发利用有重要意义。但镁空气电池的实际放电能量转换效率偏低，主要问题是高电流密度放电时正极极化增大、产物Mg(OH)2絮状沉淀阻隔电极反应及负极活性低。针对上述关键科学问题，本项目拟采用微波辐射法实现α-MnO2纳米线/石墨烯三维催化剂的高效低成本合成，并深入探讨组成、物相、表面缺陷结构、形貌与氧还原性能之间的本质联系。为满足此正极大电流放电要求，还研发与正极催化材料相匹配的离子液体-Mg(NO3)2/NaNO2复合电解质，以显著降低镁腐蚀速率并获得高阳极溶解电流密度。该项目的实施，将推动高效三维电催化结构在镁空气电池应用基础研究，为提高镁能量储存与转化效率提供必要的理论基础和实践经验。

(1) 项目的背景：. 金属空气电池因能量密度高、环境友好及安全可靠而备受关注，而镁空气电池因实际利用率低而有待深入研究。因镁空气电池化学反应决定其负极表面会产生Mg(OH)2惰性薄膜，从而决定了本项目需要解决整个电池系统工程问题，具有挑战性和研究意义。..(2) 主要研究内容、重要结果、关键数据. 本项目利用纳米材料的微波介电性能，研发了借助微波辐射法可控制备锰氧化物/石墨烯球电催化材料。详细测试了其线形扫描（LSV）、旋转盘电极（RDE）、旋转环盘电极（RRDE）性能，并测定了材料的极限扩散电流密度、表观转移电子数，获得了研制新型镁空气电池的复合电催化剂材料。根据锰氧化物/石墨烯球电催化材料的微观结构特征，设计新型电解液。项目已研制出新型Mg(NO3)2-NaNO2基复配电解质，系统考察了电解液对电极离子迁移的综合影响规律，为镁空气电池的材料性能提升提供。..(3) 科学意义. 本项目阐明了微波辐射法对一维纳米材料的综合影响，开发了高效合成石墨烯和石墨烯/锰氧化物三维材料的方法，通过详细检测纳米材料在不同反应阶段的物相和形貌，揭示高效复合过程中的反应机理，研究出新型复合纳米材料在镁空气电池性能提升的创新技术。..(4) 研究成果. 项目执行期间，项目负责人于2014年获河北省唐山市科技进步一等奖 (第一完成人)。2013年获河北省科学技术奖技术发明三等奖、河北冶金科学技术二等奖、河北省唐山市科技进步二等奖(均第二完成人) 。 . 2012-2015年发表微波辐射法相关核心技术SCI收录论文8篇，相关技术获中国发明专利授权45项（均第一或第二发明人）。项目执行期间已指导硕士毕业生2人、本科生80名；培养本科生获得华北理工大学“校园十佳”（排名第一）2名；2015年被评为大学生创新优秀指导教师。