锂空气电池的理论比能量在充电状态时(忽略氧气的质量)高达11140 W·h·kg-1,而在放电状态(包含氧气的质量)时则达到3458 W·h·kg-1,有望成为运用于电动汽车的新一代高能电池。锂空气电池的种类根据电解质的不同主要分为水性、有机、固态以及混合体系,其中有机电解液体系锂空气电池在经过Abraham和Jiang的研究后成为了现今的研究热点。虽然锂空气电池发展潜力惊人,但是目前离其实用化、商业化生产仍有几个关键问题难以解决,其中的关键问题之一在于氧气在空气正极上的还原(ORR)与析出(OER)过程受阻,导致电池的充放电性能以及循环寿命难以达到预期。因此,于空气正极中加入合适的催化剂以提升ORR和OER的动力学过程,是普遍认可的提升锂空气电池综合性能的有效途径。目前锂空气电池中的常用催化剂为碳材料、贵金属、钙钛矿以及过渡金属氧化物等,其中过渡金属氧化物以其低廉高效的特性成为了最具发展潜力的催化剂。故本实验以二氧化钛(TiO₂)为研究起点,通过对其进行改性并运用与锂空气电池中,研究其对电池ORR和OER过程的催化效果。首先,利用简单的高温处理方法对TiO₂进行改性,使其表面产生氧空位,利用氧空位增加O2在TiO₂表面的吸附,同时降低O2还原所需的活化能,进而提升电池放电反应的ORR速率。本实验利用多种表征手段证明了改性TiO₂中氧空位的存在,同时也通过实验得出,TiO₂本身就具有较强的ORR催化能力,氧空位的存在使得TiO₂对ORR过程的催化作用得到进一步加强,具体表现在电池性能上则为放电比容量在0.3和0.5 mA·cm-2电流密度下分别提升了39%和75%。在循环寿命方面,改性TiO₂将电池的循环寿命提升到了400次以上,是在原有基础上的重大突破。经分析,改性TiO₂催化效果的提升在于氧空位的存在,氧空位为ORR过程提供更多的反应活性位点,有利于O2在其表面吸附与还原,同时有利于Li+和电子在其表面的传输,因而大大提升了电池的循环稳定性。其次,为了进一步提升TiO₂的催化效果,实验制备了具有纳米片结构的Mn掺杂的TiO₂,并研究了其双功能催化效果(ORR和OER)。研究表明,材料特殊的表面形貌与Mn掺杂产生的结构改变能起到协同催化效应,一方面,纳米片状的结构显著增加了催化剂的活性表面,同时纳米片状结构有利于O2的传输与Li2O2的储存,提升了ORR过程;另一方面,Mn的掺杂使得TiO₂转变为P型半导体,改变了TiO₂原有的导电机制,其中导电空穴的存在有利于捕获电子,加速放电产物Li2O2的分解,从而提升电池的OER过程。CV测试表明,Mn掺杂TiO₂催化剂能够增大ORR的起始电位和减小OER的起始电位,而在锂空气电池在充放电测试过程中则显著地降低了电池的充放电过电压,使得锂空气电池的稳定性得以提升,说明Mn掺杂TiO₂纳米片具有良好的双功能催化作用。综上所示,本实验制备了两种改性TiO₂催化剂,并系统地研究了其在锂空气电池中的催化机理,为应用于锂空气电池领域的催化剂研究提供了重要的探索经验。