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锂离子电池和金属空气电池以其非常高的理论比容量已成为新能源储能领域的研究热点。尖晶石结构的铁酸盐MFe2O4(M=Mn,Zn),以其低廉的价格、稳定的晶体结构和良好的物理和化学性质,在磁性材料、气敏材料和光电催化剂中有着广泛的应用。本论文采用乳液热分解法制备了ZnFe2O4和MnFe2O4一维微/纳米材料,通过XRD、SEM和TEM等测试技术对所得ZnFe2O4和MnFe2O4样品进行了组成、结构和形貌的表征,并结合电化学分析技术测试了它们作为锂离子电池负极和金属-空气电池空气电极氧还原催化剂的性能。主要内容如下:
在不同的乳相体系下,采用乳液热分解法制备了三种不同直径的ZnFe2O4多孔微/纳米棒。通过材料表征,三种产物直径分别约为1μm(Z1)、500 nm(Z2)和100 nm(Z3)；同时,Z1、Z2和Z3这三种材料都存在多孔结构,比表面积分别为26.55、29.22和62.58 m2/g。将材料组装成锂离子模拟电池,通过电化学测试发现Z1、Z2和Z3微/纳米棒材料均显示出良好的充放电性能,50周循环后,Z1、Z2和Z3的放电容量分别为1039.3、1208.5和1315.0 mAh/g,远高于块体ZnFe2O4材料(375.9 mAh/g)；通过阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程计算得到的Z1、Z2和Z3微/纳米棒材料的电荷传输反应的表观活化能分别为44.41 kJ/mol、40.38kJ/mol和33.97 kJ/mol,也低于块体材料(58.46kJ/mol)。
采用微乳热分解法制备了MnFe2O4多孔纳米棒,直径约为100 nm,并与Vulcan XC-72碳和水热合成的颗粒大小约为100 nm左右的MnFe2O4纳米颗粒进行对比,使用旋转盘电极和旋转环盘电极测试了它们的氧还原催化性能。结果表明,MnFe2O4多孔纳米棒与另外两种材料相比有着更高的起始电位(-0.1Ⅴ；碳:-0.2Ⅴ；纳米颗粒:-0.15Ⅴ),较高的极限扩散电流(0.59 mA；碳:0.26 mA；MnFe2O4纳米颗粒:0.38 mA)和较高的转移电子数(3.52；碳:2.66；MnFe2O4纳米颗粒:3.15),显示了其良好的氧还原催化活性。