定制α-MnO?气体扩散电极以提升铝空气电池中的氧气还原性能

《Journal of Energy Chemistry》：Tailoring α-MnO 2 gas diffusion electrodes for enhanced oxygen reduction in aluminum-air batteries

α-MnO?催化剂通过优化与Vulcan导电炭黑的配比提升氧还原反应（ORR）性能，在GDE半电池中达到接近Pt/C的电流密度，并在Al-O?全电池中实现超过250 mW cm?2功率密度，同时结合阻抗谱与DRT分析揭示电极阻抗机制。

　　α-MnO?作为一种在碱性介质中具有广泛应用前景的氧还原反应（ORR）催化剂，因其成本低廉、易于生产等优点而备受关注。然而，其应用仍受到电子导电性不足的限制。为了解决这一问题，本研究通过系统地调整催化剂层中α-MnO?与Vulcan的配比，优化了α-MnO?电极的性能。实验结果表明，这种优化策略显著提升了ORR的效率，使得电极的性能超过了商用的MnO?基电极，并且接近铂碳（Pt/C）基准的水平。研究中使用的Vulcan是一种广泛用于电催化支持材料的导电性良好的碳黑，具有高比表面积和良好的化学稳定性。通过引入Vulcan，构建了一个三维电子传导网络，使得催化活性位点能够更有效地与基底连接，从而显著改善了电极的电子传输性能。

在实验过程中，研究人员采用了一种称为气体扩散电极（GDE）的半电池结构来评估电极性能，这种结构能够在技术相关的条件下进行测试，如高电流密度、高碱性浓度和高温环境。为了进一步验证优化后的电极性能，研究团队将其应用于一个原型的Al-O?流电池中。在持续的氧气供应下，该电池的功率密度超过了250 mW cm?2，这一数值远高于传统Al-air电池的水平。此外，研究还采用了电化学阻抗谱（EIS）结合弛豫时间分布（DRT）分析的方法，无需额外的参考电极即可分离阳极和阴极的电荷转移阻抗。分析结果显示，阳极的阻抗贡献是阴极的两倍以上，这表明阳极的优化对于整体性能提升至关重要。

本研究的创新之处在于，通过简单的物理混合方法，实现了对α-MnO?与导电支持材料Vulcan的优化配比，从而有效提升了催化剂的导电性与催化活性。与传统的通过掺杂或表面修饰等复杂手段提升导电性的方法相比，这种方法不仅降低了合成的复杂性，还提高了系统的长期稳定性。研究团队还发现，随着Vulcan含量的增加，α-MnO?在催化剂层中的分布更为均匀，减少了由于催化剂颗粒聚集而导致的电子传输障碍。这种优化策略不仅适用于α-MnO?电极，还可以推广到其他金属-空气电池系统中，为开发高性能、低成本的电极材料提供了新的思路。

在实验中，研究人员还详细探讨了不同α-MnO?负载量对电极性能的影响。结果表明，当负载量为0.3 mg cm?2时，20% α-MnO?/Vulcan的电极表现出最佳的ORR性能。在更高的负载量下，例如1.0 mg cm?2，电极的性能虽然有所提升，但并未达到最佳状态。这可能与催化剂层厚度和氧传输效率有关。同时，研究还发现，使用镍网作为电流收集器可以显著降低电极的欧姆电阻，从而提升整体性能。然而，即使在优化后的条件下，电极的欧姆电阻仍然较高，这提示未来需要进一步优化电极的结构设计，以降低电阻并提高效率。

本研究的另一个重要发现是，DRT分析在分离电极各部分的电荷转移阻抗方面表现出色。这种方法不仅避免了对参考电极的依赖，还使得研究人员能够更深入地理解电极内部的反应机制。通过DRT分析，研究人员发现阳极的阻抗在整体性能中占据主导地位，这一结果为后续的阳极优化提供了理论依据。此外，DRT分析还揭示了不同负载量和配比下电极的阻抗特性变化，为设计更高效的电极结构提供了指导。

为了验证优化后的电极在实际应用中的表现，研究团队将其应用于Al-O?流电池中。实验结果表明，优化后的电极在流电池中表现优异，不仅实现了较高的功率密度，还保持了良好的库仑效率和比能量。这些结果进一步证明了该优化策略的有效性，并表明其在实际应用中的可行性。此外，研究还探讨了不同负载量和配比对电极性能的影响，发现20% α-MnO?/Vulcan电极在0.85 V电压下表现出最高的电流密度，这说明该配比下的电极具有最佳的催化活性。

综上所述，本研究通过系统地调整α-MnO?与Vulcan的配比，显著提升了其在碱性介质中的ORR性能。这种优化策略不仅适用于Al-O?流电池，还可以推广到其他金属-空气电池系统中，为开发高性能、低成本的电极材料提供了新的方向。研究结果表明，构建一个高效的三维导电网络是提升催化剂性能的关键，而DRT分析则为理解电极内部的电荷转移机制提供了有力的工具。未来，进一步优化阳极和整体电极结构，以及降低欧姆电阻，将是提升金属-空气电池性能的重要方向。