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毕业论文课题相关文献综述
1研究背景
面对步步逼近的能源危机，我们必须减少对于化石燃料的依赖，并且寻找一种高效清洁的可再生能源[1]。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。然而，这些能量的提供都是间断的，并且人们对于电能的需求上下波动，这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[2]。
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[3]。然而，连续、大型电解和电化学装置，仍需不断的研究和探索，才能实现大规模使用。例如：二氧化碳还原装置将二氧化碳作为原料生产甲醇或合成气[4]；酸性电解水制氢装置氢气在阴极产生，氧气在阳极产生[5]。
在低温、酸性环境下，装置发展的瓶颈是：电化学反应催化剂材料的选择，主要为析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）。在自然环境下，ORR反应通常很缓慢，并且需要独特的铂类催化剂[6]。目前广泛使用的催化剂主要是Pt/C或Pt合金催化剂，然而Pt资源紧缺，使得电池成本上升，所以我们必须寻找高效、新型催化剂[7]。目前人们正广泛研究的非贵金属催化剂有Fe2O3、Co3O4、NiO、CuO等，然而它们的催化性能远不能令人满意。金属有机螯合物催化剂虽然极有希望取代Pt催化剂，但是它稳定性不够好，制备过程相对复杂，因此仍需进一步研究。单金属氧化物是指MnO2、TiO2、SnO2、WO3、Nb2O5等一系列金属氧化物，其中锰氧化物是研究最多的单金属氧化物催化剂[8]。金属氧化物被纳米化后，它的物理化学性能也随之发生突变。特别是电子性能的改变，为催化带来了更多的变化。因此，以金属氧化物纳米粒子设计催化剂，可能是未来催化剂发展的一个方向[9]。
2氧还原反应和析氧反应
高度分散、纳米材料电化学催化剂，通常被用来增加比表面积提高电化学反应速率。然而，在ORR、OER反应条件下这些催化剂面临着一系列的挑战：反应活性、稳定性、材料的充裕程度。
2.1反应机理
ORR和OER反应机理可能如下：
（1）ORR反应通过电离过程实现，当氧气中O-O键由于吸附断裂时，形成的Oˉ减少，形成OHˉ和H2Oˉ；这个过程的逆反应就是OER的再化合过程。
（2）ORR和OER反应机理都与与OOHˉ有关，在ORR反应中OHHˉ断裂成为 Oˉ和OHˉ，在OER反应中OOHˉ由Oˉ和OHˉ重组得到。
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