1.3电池的组装及其放电性能测试
电池样品采用外氧式圆柱形结构，为 AA型.正极是一个由空气电极围成的圆简，圆简装入已开好孔的钢壳中，且与钢壳相连接,再将隔膜和锌膏装入圆简中,注人已饱和氧化锌的 7MKOH 溶液,封端口,放置几小时后放电.放电采用10Ω恒阻连续放电方式,在室温下进行,终止电压为0.9 V.
2结果与讨论
2.1稳态极化曲线分析
试验中制备各催化层时固定了碳粉质量和硝酸锰的量,分别加人不同比例的硝酸镧和硝酸锶.标号如下，1#电极:硝酸锰、硝酸镧、硝酸锶的摩尔比为1:0.4:0.6;2#电极:硝酸锰、硝酸镧、硝酸锶的摩尔比为1:0.9:0.1;3#电极:硝酸锰、硝酸镧、硝酸锶的摩尔比为1:0.3:0.7;4#电极:硝酸锰、硝酸镧、硝酸锶的摩尔比为1:0.7:0.3;5#电极:硝酸锰、硝酸镧、硝酸锶的摩尔比为1:0.1:0.9;6#电极:只有硝酸锰,未加硝酸镧和硝酸锶;7#电极:硝酸锰、硝酸镧的摩尔比为1:0.4,未加硝酸锶;8#电极:硝酸锰、硝酸锶的摩尔比为1:0.6,未加硝酸镧。
图1 表示所制备的各种空气电极的极化曲线.空气电极极化的大小表明了催化剂活性的高低，在同样的极化电流密度下,极化电位越正,则电极极化越小,催化剂的活性越高.从图1 可以看出6#电极极化较大,而煅烧后 MnO2体系中含有氧化镧或氧化锶中的一种时,电极的极化稍有减小,例如7#、8#电极;若催化剂中 MnO2、氧化镧、氧化锶都含有时，电极极化明显减小,证明氧化镧和氧化锶同时添加到 MnO2催化剂中时对氧还原的催化具有协同作用.从图1还可以看出,在含有由3种氧化物组成的混合催化剂的电极中,1#电极极化最小,在极化电流密度为2~150 mA.cm-2时，1#电极的极化电位比6#电极正移了32~226 mV,这充分说明此空气电极无论是在小电流密度下工作还是在在大电流密度下工作,都具有良好的电催化活性.
2.2交流阻抗谱图分析
在试验条件下多次测量各电极的交流阻抗复平面谱图形状基本相同,这里以1#电极和6#电极的谱图为例进行分析，见图2和图3.从图中可以看出，在测试频率范围内,高频区为一半圆,其半径随极化电位的变化改变很小,表明该阻抗是由多孔催化层内的欧姆极化引起的;在低频区,当极化电位较低时，阻抗表现为半无限扩散特征，是由电极外电解质溶液中氧的扩散引起的;随着极化电位的增加，低频区出现稍稍变形的圆弧，且圆弧半径随着极化电位的增加逐渐变小,表明此时的阻抗开始显现电化学极化的影响,低频区阻抗包括电化学反应动力学阻抗和有限层扩散阻抗,扩散阻抗是由氧在多孔催化层内的薄液膜界面上扩散引起的。
根据以上分析,空气电极在-150 mV下的交流阻抗谱的等效电路可表示为图4的形式.图中符号Rs表示电极外表面和参比电极之间的溶液电阻， Rm为催化层内薄液膜三相界面的溶液电阻和反应活化区域之间的接触电阻以及催化层、防水层的欧姆电阻之和,R为氧还原反应的电化学极化阻抗， Zd为氧的有限层扩散阻抗,即 Nernst 扩散阻抗1# Cm为欧姆极化双电层电容,Cd为法拉第反应过程的双电层电容.据此等效电路,用IM6e 电化学工作站中的 SIM 程序对各空气电极在-150 mV下的交流阻抗谱图进行拟合，拟合后所得到的各电极动力学参数见表1.
从表1中可以看出,各电极同一类型阻抗的值均不相同.Rs和Rm的大小受人为操作因素的影响较大,如测试时参比电极到研究电极的距离，催化层和防水透气层在压制时的滚压次数、膜层厚度和均匀度以及电极在压制时的合膜压力、电极的厚度等等.而电化学反应动力学阻抗和氧的扩散阻抗则主要是由催化剂决定的,由表1知,1#、2#、3#、4#、5#、7#、8#电极的Rac和Zd,都比6#电极的小.其中7#电极的Zd比6电极小很多,Rac稍小于6#电极,这说明氧化镧的添加主要减小了氧的扩散阻抗;8#电极的Rac和zd都比6#电极的小,相比之下,R减小得更明显一些，说明氧化锶的添加不仅能在一定程度上减小氧的扩散阻抗,而且能明显减小电化学反应动力学阻抗;当电极中含有由 Mn02、氧化镧、氧化锶组成的混合催化剂时，与6#电极相比,Rac和Zd，均得到明显减小,这进一步证明,在 Mn02催化剂中同时添加氧化镧和氧化锶对氧还原的催化具有协同作用，1#电极表现得最为明显，它的电化学反应动力学阳抗和氧的扩散阻抗仅为6#电极的1/2 左右,这表明1电极的催化剂能有效地促进整个电极过程中的氧扩散步骤和电化学反应步骤,因而电极极化较小.等效电路拟合后所得数据与电极稳态极化测试分析结果一致,而且电路拟合曲线与交流阻抗测试曲线吻合得也很好,说明此等效电路基本上反应了电极过程的真实情况，
交流阻抗测试及动力学参数分析虽不能全面说明催化剂的作用机理，通过对阻抗的分析仍然可以看出催化剂对氧电极反应中电化学极化和扩散的影响.
2.3装配电池的放电性能分析
由以上测试分析知1"电极的性能相对较好，因而进行电池放电性能测试时采用1#电极装配成电池(标号:1"电池)和6#电极装配成电池(标号:6#电池)相比较.电池采用10 Ω 恒阻连续放电方式(该放电电阻按 CB/T-LR4 执行,国家标准规定 AA 型碱性锌锰电池以102 电阻放电，每天放电1h,放电12d合格).所得到的电池放电性能数据见表2.放电曲线见图5.
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3 结 论
1)通过向碳粉中加入硝酸锰溶液，分散均匀后添加稀土硝酸盐(硝酸镧)和碱土硝酸盐(硝酸锶)，蒸干后在270℃下煅烧的工艺制备出了催化性能良好、制备工艺简单的锌空气电池空气电极催化剂
2)氧化锶和氧化镧同时添加到 MnO2催化剂中时，二者对氧还原的催化具有协同作用.催化剂中金属元素锰、镧、锶的最佳摩尔比为1:0.4:0.6.
3)对由金属元素锰、镧、锶的摩尔比为1:0.4:
0.6 的催化剂制成的空气电极进行稳态恒电流极化测试表明,在极化电流密度为2~150 mA·cm时，此电极的极化电位比只含 Mn02的电极正移了32~226 mV.
4)对由金属元素锰、镧、锶的摩尔比为1:0.4:
0.6 的催化剂制成的空气电极进行交流阻抗测试分器，这个传感器以光学 Sagnac 干涉仪为基础,利用单模光纤和 3dB 耦合器构成.实验结果表明,传感器能够探测超声波引起的微弱振动(y很小)，并且在这种情况下,测量信号的傅立叶频谱的基频就是声源的振动频率. 计臬机仿真的结果表明,当超声波的强度较大时(y较大),测量信号的傅立叶频谱的基频是声源的振动频率的2倍。所以设计新的传感器结构，使之能精确判断声源的频率.同时在传感器中加入初位相控制器,来改变△巾的值,使调制信号尽可能工作在被调制信号的线性区域附近,即可实现被检测信号的频率识别,用于声发射信号的检测.
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