CN108649239B - 一种调控氧化物型电催化剂晶格应力的方法 - Google Patents
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Abstract
一种调控氧化物型电催化剂晶格应力的方法,将MnFe2O4作为锂离子电池活性电极材料,锂金属作为对电极,Cellgard膜作为隔膜,1M的LiPF6溶液作为电解液,组装CR2025半电池;首先分别对锂离子电池进行CV曲线的表征分析,确定MnFe2O4在锂离子电池中的起始还原电位,放电截止电压设在起始还原电位之前,保证Li+嵌入MnFe2O4的晶格,而不发生氧化还原反应,实现对MnFe2O4晶格应力的单独控制;然后通过控制放电截止电压,放电截止电压设在0.7‑2V,调整Li+的嵌入量,从而调控MnFe2O4的晶格应力;本发明主要采用电化学方法调控过渡金属氧化物的晶格应力,简单,易操作。
Description
技术领域
本发明涉及电催化技术领域,特别涉及一种调控氧化物型电催化剂晶格应力的方法。
背景技术
燃料电池是一种绿色能源技术,可不经过燃烧直接将燃料的化学能转换为电能,具有无污染、能量转化效率高等优点,对解决当前世界面临的能源危机和环境污染具有重要意义。氧还原反应(ORR)是燃料电池的阴极反应,目前ORR电催化剂仍大量依赖Pt或Pt基催化剂,价格昂贵,而且燃料易于使阴极Pt或Pt基催化剂出现活性组分聚集、溶解、中毒、脱落等情况,导致催化性能降低,影响电池使用寿命。因此,开发低成本、高活性和高稳定性的非贵金属ORR电催化剂,直接决定燃料电池技术的商用化进程。
氧化物作为一种典型的非贵金属ORR电催化剂,兼具低成本、高活性的优点。目前主要通过结构优化和导电基体杂化的手段对氧化物型催化剂进行改性,提高ORR电催化活性。然而要进一步提高其ORR电催化活性的有效途径是对催化剂的表面化学结构和电子结构进行优化,特别是对催化剂的晶格应力进行调控是提高催化活性的有效手段,目前对金属氧化物晶格应力的研究主要集中在光学和磁学方面,且都是通过间接手段,无法实现对晶格应力的单独控制。所以,需要开发一种灵活有效、单独控制过渡金属氧化物晶格应力的方法。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种调控氧化物型电催化剂晶格应力的方法,以过渡金属氧化物作为锂离子电池的电极材料,通过对电池进行放电,借助锂离子电池首次放电来调控过渡金属氧化物的晶格应力。通过该方法对晶格应力进行调控,从而建立晶格应力与其ORR电催化活性和稳定性之间的关系模型。
为达到以上目的,本发明的技术方案为:
一种调控氧化物型电催化剂晶格应力的方法,包括以下步骤:
步骤一:将MnFe2O4作为锂离子电池活性电极材料,锂金属作为对电极,Cellgard膜作为隔膜,1M的LiPF6溶液作为电解液,在充满氩气的手套箱中组装CR2025半电池;
步骤二:首先分别对锂离子电池进行CV曲线的表征分析,确定MnFe2O4在锂离子电池中的起始还原电位,放电截止电压设在起始还原电位之前,保证Li+嵌入MnFe2O4的晶格,而不发生氧化还原反应,实现对MnFe2O4晶格应力的单独控制;然后通过控制放电截止电压,放电截止电压设在0.7-2V,调整Li+的嵌入量,从而调控MnFe2O4的晶格应力。
本项目的有益效果:本发明主要采用电化学方法调控过渡金属氧化物的晶格应力,该方法简单,易操作,可以灵活有效的调节晶格应力,将发明所得的MnFe2O4作为直接甲醇燃料电池的阴极催化剂,阳极催化剂为PtRu/C,燃料为4MKOH和5M甲醇的混合溶液,室温下对电池放电性能进行测试,为进一步在过渡金属氧化物晶格应力调控以及提升催化活性方面提供实验方法和理论依据。
附图说明
图1是过渡金属氧化物MnFe2O4的XRD图。
图2是以MnFe2O4作为锂离子电池电极材料,电池的充放电曲线和CV曲线。其中,图2a是锂离子电池分别在第1、2、10和20次循环的充放电曲线,图2b是锂离子电池的CV曲线。
图3是以MnFe2O4作为直接甲醇燃料电池的阴极催化剂,阳极催化剂为PtRu/C,燃料为4MKOH和5M甲醇的混合溶液,室温下的电池性能。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例一
本实施例一种调控氧化物型电催化剂晶格应力的方法,包括以下步骤:
步骤一:将MnFe2O4作为锂离子电池活性电极材料,图1是MnFe2O4的XRD图,其结晶度较高。采用锂金属作为对电极,Cellgard膜作为隔膜,1M的LiPF6溶液作为电解液,在充满氩气的手套箱中组装CR2025半电池;
步骤二:首先对锂离子电池进行CV曲线测试,确定MnFe2O4的起始还原电位。图2(a)是以MnFe2O4作为锂离子电池电极材料的电池充放电曲线,证明MnFe2O4可以作为锂离子电池的电极材料。通过图2(b)锂离子电池的CV曲线确定了电池的起始还原电位约为0.7V,放电截止电压设在0.7-2V。在1.5V下对电池进行放电,调整Li+嵌入量,改变MnFe2O4的晶格应力。
参照图3,将本实施例中所得的MnFe2O4作为直接甲醇燃料电池的阴极催化剂,阳极催化剂为PtRu/C,燃料为4MKOH和5M甲醇的混合溶液,用电池测试仪对电池放电性能进行测试。通过测试分析,在室温下其最大功率密度达到7.2mW/cm2。
实施例二
本实施例一种调控氧化物型电催化剂晶格应力的方法,包括以下步骤:
步骤一:将MnFe2O4作为锂离子电池活性电极材料,采用锂金属作为对电极,Cellgard膜作为隔膜,1M的LiPF6溶液作为电解液,在充满氩气的手套箱中组装CR2025半电池;
步骤二:首先对锂离子电池进行CV曲线测试,确定MnFe2O4的起始还原电位。在1.2V下对电池进行放电,调整Li+嵌入量,改变MnFe2O4的晶格应力。
将本实施例中所得的MnFe2O4作为直接甲醇燃料电池的阴极催化剂,阳极催化剂为PtRu/C,燃料为4MKOH和5M甲醇的混合溶液,用电池测试仪对电池放电性能进行测试。通过测试分析,在室温下其最大功率密度达到16mW/cm2。
实施例三
本实施例一种调控氧化物型电催化剂晶格应力的方法,包括以下步骤:
本实施例一种调控氧化物型电催化剂晶格应力的方法,包括以下步骤:
步骤一:将MnFe2O4作为锂离子电池活性电极材料,采用锂金属作为对电极,Cellgard膜作为隔膜,1M的LiPF6溶液作为电解液,在充满氩气的手套箱中组装CR2025半电池;
步骤二:首先对锂离子电池进行CV曲线测试,确定MnFe2O4的起始还原电位。在0.7V下对电池进行放电,调整Li+嵌入量,改变MnFe2O4的晶格应力。
将本实施例中所得的MnFe2O4作为直接甲醇燃料电池的阴极催化剂,阳极催化剂为PtRu/C,燃料为4MKOH和5M甲醇的混合溶液,用电池测试仪对电池放电性能进行测试。通过测试分析,在室温下其最大功率密度达到19mW/cm2。
Claims (2)
1.一种调控氧化物型电催化剂晶格应力的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:将MnFe2O4作为锂离子电池活性电极材料,锂金属作为对电极,Cellgard膜作为隔膜,1M的LiPF6溶液作为电解液,在充满氩气的手套箱中组装CR2025半电池;
步骤二:首先分别对锂离子电池进行CV曲线的表征分析,确定MnFe2O4在锂离子电池中的起始还原电位,放电截止电压设在起始还原电位之前,保证Li+嵌入MnFe2O4的晶格,而不发生氧化还原反应,实现对MnFe2O4晶格应力的单独控制;然后通过控制放电截止电压,放电截止电压设在0.7-2V,在此电压区间选择一电压值对电池进行恒压放电,调整Li+的嵌入量,从而调控MnFe2O4的晶格应力。
2.根据权利要求书1所述的一种调控氧化物型电催化剂晶格应力的方法,其特征在于,
步骤一:将MnFe2O4作为锂离子电池活性电极材料;采用锂金属作为对电极,Cellgard膜作为隔膜,1M的LiPF6溶液作为电解液,在充满氩气的手套箱中组装CR2025半电池;
步骤二:首先对锂离子电池进行CV曲线测试,确定MnFe2O4的起始还原电位;通过锂离子电池的CV曲线确定了电池的起始还原电位为0.7V,放电截止电压设在0.7-2V;在1.5V下对电池进行放电,调整Li+嵌入量,改变MnFe2O4的晶格应力。
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