羰基合成与选择氧化国家重点实验室（OSSO）知识库

随着电动汽车以及新能源的大力发展，锂空气电池因其超高的理论能量密度而备受关注。然而，如何解决能量效率低以及循环稳定性差等问题仍然是目前锂空气电池发展中所面临的挑战。有机体系锂空气电池作为其中研究最为广泛的一类锂空气电池体系，主要由多孔空气正极、金属锂负极以及有机电解液构成。由于电池的可逆性主要基于正极放电产物过氧化锂的生成与分解，而过氧化锂本身又具有绝缘性和不溶性， 所以不仅容易导致正极孔道的堵塞，而且往往较难分解，会进一步造成电极表面的钝化，进而严重影响电池的性能。为此，构筑具有良好孔结构、大比表面积和高催化活性的空气正极材料成为了目前提高有机体系锂空气电池性能的关键。

自支撑电极结构设计不但有效地避免了粘结剂的使用及其所带来的副反应，而且更容易实现良好分级多孔结构的构筑。因此，针对锂空气电池正极所存在的问题，本论文结合自支撑电极的优点，分别以石墨烯和Co₃O₄作为研究对象构筑了不同类型的高活性多孔自支撑锂空气电池正极材料，并对其在锂空气电池中的催化性能进行了研究。通过对电极结构的优化以及对电极材料催化活性的改善，有效地提高了锂空气电池正极的性能。全文所得到的主要结论如下：

1．利用氧化石墨烯良好的自组装特性，通过水热法分别制备了具有高比表面积和大孔体积的分级多孔氮掺杂三维石墨烯和纯三维石墨烯。其作为自支撑电极时，较好的满足了锂空气电池正极对于多孔性和高催化活性的构筑要求，使锂空气电池表现出了较高的放电比容量和较好的氧还原反应催化活性。尤其是通过氮掺杂使三维石墨烯的催化活性和孔径分布都得到了进一步的改善，有效地促进了电极反应物质的传输以及放电产物的沉积，使锂空气电池展现出了更高的放电比容量和更好的循环稳定性。

2．直接以Co₃O₄作为正极材料，分别在泡沫镍基底上构筑了Co₃O₄纳米线、长方片和六方片阵列，并将其作为多孔自支撑锂空气电池正极进行了相应的结构分析和催化性能研究。通过实验证明，Co₃O₄本身在有机体系锂空气电池中具有较好的催化活性，尤其是对于氧析出反应展现出较高的催化活性。相对于自支撑碳材料来说，Co₃O₄纳米阵列进一步有效地降低了电池的充电过电势，使电池的循环稳定性得到了明显的提高。同时，通过对不同Co₃O₄纳米阵列的结构以及表面放电产物进行分析对比，初步探讨了自支撑电极构筑过程中Co₃O₄纳米阵列结构和催化活性的不同对放电产物生成与分布的影响。实验发现，具有良好单晶结构和丰富介孔、大孔孔道的Co₃O₄长方片纳米阵列更有利于放电产物的生成和分解，进而使锂空气电池表现出较高的放电比容量和较好的循环稳定性。