掺杂中空碳纳米球在锌空气电池阴极及酶生物燃料电池阳极中的应用研究

发布时间：2020-10-28 00:44

　　 随着传统能源的短缺及环境的污染,我们的社会已经从化石燃料经济转向清洁能源经济,都在积极研究关于可持续能源的收集、转换和储存。锌空气电池和生物燃料电池相比于传统意义上的电池,具有原材料来源广、成本低、能量转化高及绿色环保等特点。本文主要是以高活性的硼氮双掺杂中空碳纳米球(BNCSs)作为锌空气电池中阴极(气体扩散电极)催化剂,制备气体扩散电极并对其进行优化,继而组装成锌空气电池进行电化学测试;以高活性的硼氮双掺杂中空碳纳米球(BNCSs)作为酶生物燃料电池阳极酶载体,制备生物阳极并对其进行优化,继而组装成酶生物燃料电池进行电化学测试。主要工作内容如下:1.以碳纸作为集流体,气体扩散层由乙炔黑与聚四氟乙烯乳液(PTFE)组成,催化层由活性炭为基底的BNCSs与PTFE乳液所组成。对集流体进行疏水浓度与时间的优化,对气体扩散层中乙炔黑与PTFE乳液的比例及乙炔黑的负载量进行优化,对催化层中使用的BNCSs、活性炭与PTFE乳液的比例及BNCSs的负载量进行优化。结果显示,当集流体在10 wt.%的PTFE乳液中疏水处理5 min,气体扩散层中乙炔黑/60 wt.%PTFE乳液的质量比为6:4(乙炔黑的碳载量为0.8 mg/cm~2),催化层中活性炭/BNCSs/20wt.%PTFE乳液的质量比为2:2:3(BNCSs的碳载量为1.0 mg/cm~2)时,气体扩散电极的电化学性能最优。2.设计制作了一种由聚甲基丙烯酸甲酯材料为主体的矩形锌空气二次电池器件,它具有密封性能好、方便拆卸和替换电解液与锌阳极、方便清洗,并且易于观察内部反应情况的优点。比较了硼掺杂中空碳纳米球(BHCSs)、氮掺杂中空碳纳米球(NHCSs)、硼氮双掺杂中空碳纳米球(BNCSs)及商业Pt/C组装的锌空气电池性能的大小。并使用BNCSs这种双功能电催化剂,在空气中制造锌空气一次电池和二次电池的气体扩散电极进行电池性能测试。以BNCSs为基础的一次锌空气电池展现了1.421 V的开路电位,比容量为670 mAh/g_(Zn)(5 mA/cm~2的电流密度下)和最大功率密度为96 mW/cm~2。二次锌空气电池可在10 mA/cm~2的电流密度下循环350次,依旧保持优异的稳定性能。结果表明,廉价的BNCSs非常适用于此锌空气电池能量转换装置。3.利用制备的BNCSs为载体,通过简单的物理吸附作用来固定葡萄糖氧化酶(GOD),以此制备酶生物燃料电池阳极GOD/BNCSs/GC。继而对BNCSs载量、GOD载量和葡萄糖浓度进行优化。当BNCSs的浓度为0.5 mg/mL,GOD的浓度为5 mg/mL及葡萄糖浓度为3 mM时电流密度达到最大值。将电极在4℃下放置七天后,其电催化活性几乎没有变化,表明制备的GOD/BNCSs/GC生物阳极具有良好的稳定性。并构建了以GOD/BNCSs/GC为阳极,气体扩散电极为阴极的葡萄糖/O_2电池,其开路电压和短路电流为0.68 V和0.63 mA/cm~2,在0.22 V时得到最大功率密度52.5μW/cm~2。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;TM911.4
【部分图文】：

锌空气电池的问世标志着锌空气电池的真正商品化，主要应用在助听器面。而我国从二十世纪六十年代起在传统的锌/贵金属电池和气体燃料电池研究锌空气电池，并研制出了圆筒形的一次锌空气电池。来，锌空气电池的应用领域从小功率设备趋向于大功率仪器设备。1995 年料（Electric Fuel）有限公司首次将锌空气电池应用在蓄电池车（Electric ve比能量高达 207 Wh/kg，最高时速达 120 km/h，由静止加速到 80 km/h 仅好的动力性能，自此锌空气电池进入电动车实用化阶段。美国 Dreitive 公司开发的锌空气电池已经在公共汽车上使用，可连续行驶 10 小时海世博会上，博信电池公司研发的锌空气电池园内观览车，引起了业内人。随着社会的发展，能源消耗的加剧，锌空气燃料电池的研究与应用将进巨大的市场潜力，其在价格、性能、安全性及快速加油等方面能够与常锌空气电池的商业成功应以交通运输系统为依托，如图 1-1 所示[11]，建开发三个基本的要素：锌空气电动车，公共加油站和再生设施。太阳能集中器

图 1-2 锌空气二次电池充放电原理图[12]以得到锌空气电池的理论电压值为 1.65 V，但在实际的很难达到理论电压值，因此锌空气电池的开路电压一般2]，二次锌空气电池包括放电和充电两个过程，充电时锌锌固体沉积在电极表面，气体扩散电极则作为阳极发生生的反应正好与放电时相反[13-15]。的特点为一种新型的能源电池，既具有蓄电池的特点又具有、锌锰蓄电池一样，它的正极活性物质储蓄在电池体的活性物质是来自于空气中的氧气，具有无穷的容量，和池具有的优点具体体现在以下几个方面：：锌空气电池和其他的空气电池一样，其正极活性物质

图 1-3 不同类型电池容量对比图[6]性能稳定：在电池的恒流放电过程中，对正极活性物质的影几乎没有变化，所以在长时间的放电过程中，电压可以保持温度范围广：锌空气电池可在较大的范围-40~60 ℃下工作，料丰富：锌空气电池中的阳极锌价格低廉，来源广，制造成气阴极所需的氧气来自于大气，取之不尽用之不竭。安全：电池气体扩散电极的活性物质为氧气，阳极锌被氧化境不会造成污染，电解液性质稳定且不可燃；整个电池体系属，属于环境友好型。期长：储存期间会将电池密封，气体扩散电极与外界空气隔长期储存。
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本文编号：2859316