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摘 要

面对步步紧逼的能源危机，我们研究了众多的新能源，为此我们必须发展能源的转换与存储技术。氧还原反应（ORR）是电化学技术中一个重要的半反应，可应用于燃料电池、金属空气电池和电解装置。然而催化氧还原反应的铂类催化剂价格昂贵，极大地限制了这些装置的大规模商业化应用。无定形MnO₂作为一种可选择的催化剂得到了人们的关注。为了提高催化剂的导电性，本文加入了具有良好导电性的碳纳米管（CNTs）

本文通过常温下快速合成法，制得了无定形MnO₂和CNTs的复合催化剂，并通过XRD、SEM手段表征了催化剂。在碱性条件下，使用旋转圆盘电极对其进行了ORR性能的测试。结论显示，在1600 rpm下，复合催化剂的起始电压（相对RHE）为0.83 V，极限电流密度为-5.45 mA·cm^-2。复合催化剂反应电子转移数为4.80。加入CNT之后，ORR反应的稳定性有所提升。

关键词：氧还原反应 无定形二氧化锰 碳纳米管 旋转圆盘电极

Abstract

Driven by growing concerns about the depletion of petroleum resources, we developed kinds of renewable energy. And we must update our energy conversion and storage technology. Oxygen reduction reaction (ORR) plays a vital role in electrochemistry techniques. ORR is the key barrier in various electrochemical devices such as fuel cells, metal-air batteries and electrolysers. ORRs traditionally require the exclusive use of platinum-based catalysts. As platinum is expensive, extensive application and commercialization are limited. Amorphous MnO₂ as an alternative catalyst has driven people’s attention.

In this article, we add carbon nanotubes in order to improve the electrical conductivity.In this article, we present a facile and rapid methodology to prepare the MnO₂-CNTs catalyst. The structure of the MnO₂-CNTs was characterized through X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). To further study the ORR procedures with respect to MnO₂-CNTs, we performed rotating-disk electrode (RDE) experiments. The onset potential (vs RHE) was 0.83 V and the limited diffusion current reached -5.45 mA·cm^-2 at the rate of 1600 rpm. The number of electrons transferred was 4.80. After we added carbon nanotubes, the reaction was stabler.

Keywords: ORR; Amorphous MnO₂; CNT; RDE

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 前言 1

1.1背景 1

1.2氧还原反应和析氧反应 2

1.2.1 ORR反应催化剂的研究 2

1.2.2 反应机理 3

1.2.3 ORR、OER反应活性 4

1.3无定形MnO2 4

1.4碳纳米管（CNTs） 5

1.4.1碳纳米管简介 5

1.4.2碳纳米管结构 6

1.5本课题的研究意义及工作设想 6

第二章 实验部分 8

2.1 实验药品和仪器 8

2.2 粉体合成与制备 9

2.2.1 碳纳米管（CNTs）的净化 9

2.2.2 碳纳米管与MnO₂复合 10

2.3 催化剂表征方法 10

2.3.1 X射线衍射光谱（XRD）表征 10

2.3.2扫描电镜SEM表征 10

2.4 电化学测试 11

2.4.1 电极准备 11

2.4.2 催化剂浆料的准备 11

2.4.3 电化学测试 11

2.4.4 对照试验 13

第三章 结果与讨论 14

3.1 XRD相结构分析 14

3.2 SEM表征 16

3.2 电化学测试结果 18

第四章 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 23

参考文献 24

致谢 27

第一章 前言

1.1背景

目前我们使用的新能源主要有太阳能、风能、核能、地热能等。地热能分布严重不均匀；核能成本高、存在安全隐患并且我国铀资源贫乏，使他们难以成为主导能源。太阳能、风能都是清洁能源，并且贮能丰富，我们应大量利用。受到自然条件的限制，利用太阳能风能发电时，所提供的能量是间断的，然而人们对于电能的需求上下波动，这就导致了长期的能量供需不平衡。我们必须寻找到解决方法，当可再生能源供大于求时，过剩的电能可以在电解池中进行非自发电化学反应，并以化学能的形式储藏；当供不应求时，之前储藏的电能在原电池中自发进行电化学反应，以补足电能需求。所以，电化学技术将在未来起到关键性的作用，它可以实现电能和化学能的相互转换，并且能够贮藏电能以备不时之需^[1]。

虽然，小型的可充电电池已经在广泛使用，例如：手机电池，笔记本电池，甚至是汽车用电池^[2]。然而，连续、大型的电解和电化学装置，仍需不断的研究和探索，才能实现大规模使用。例如：大型二氧化碳还原装置——将二氧化碳作为原料直接生成甲醇燃料或合成气燃料的前驱体^[3]，这个碳循环的优点为：产生的液体燃料利用现有的基础设施，可以便捷的储藏和运输，然而我们仍需对二氧化碳还原反应和其反转的氧化反应进行大量研究，提高其选择性和活性；人们对于氢能的转化也投入了大量的关注，即酸性电解水制氢装置——氢气在阴极产生，氧气在阳极产生。该反应方程为：

4H 4e¯ ⇌ 2H₂ (1)

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