多尺度孔隙材料电催化特性的传质过程影响机制

发布时间：2020-08-06 11:01

【摘要】：氮掺杂的石墨烯本身具有良好的电化学性能,制备的微球结构因具有大比表面积,电催化性能更加优异,作为超级电容器电极材料具有广泛的应用前景。旋转圆盘电极是测量材料电化学本征反应速率的一种常用方法,通过旋转运动产生的强迫对流,可在一定范围内消除浓差极化。然而采用经典电极动力学模型(Koutecky-Levich公式)得到的反应速率仍然受传质过程影响。且氮掺杂的石墨烯微球电极并非传统的平板电极,表面的多级孔隙结构也会形成传质限制,导致本征反应动力特性计算出现极大的偏差。本文针对本征反应动力学特性计算难的问题,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法,通过数值模拟传质和反应动力过程之间的竞争,重现电流密度随电压变化的实验曲线,获得更接近本征反应动力学的参数。主要研究内容及工作如下:1.对旋转圆盘电极内部的速度场进行了数值模拟,研究电极的水动力学特性。以旋转圆盘电极中心的轴向速度表征电解液的传质能力,分析电极尺寸和位置对旋转圆盘电极传质效率的影响;并通过对四个无量纲数的讨论,给出了旋转圆盘电极结构设计的优化准则。2.对旋转旋转圆盘电极表面及附近的浓度场进行了数值模拟,研究电极外部传质对电催化性能的影响。基于NS方程建立了包含详细传质过程的电极动力学模型,对电极表面及其周围流体的速度场与组分的浓度场进行了精细化求解。通过重现电流密度随电压变化的实验曲线,获取电极的本征反应动力学参数。进一步,将该值与经典K-L公式获取的反应动力学参数相比较,给出其电压适用范围及反应速率常数的修正方法。3.对多级孔隙结构电极内部浓度场进行了数值模拟,研究电极内部的传质对电催化性能的影响。构建四种理想化的几何模型,以无量纲数Thiele模数表征传质与反应的竞争关系。对Thiele模数在不同结构特征的形式进行了分析,给出了外部多级孔隙结构Thiele模数的改进公式。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TB383.4;O643.36
【图文】：

极化曲线,极化曲线,催化剂,石墨

NxC,NG 和 Pt/C 催化剂在 0.1M KOH 中，1600rpm 下的 ORR 极化曲线[47]掺入杂原子后，影响石墨烯催化活性的因素增多，包括新活性位点的建立、电子结构的调整和吸附性能的改变，形态和由于掺杂导致的化学组成的变化，或者催化剂表面微结构的变化，也可能是这些因素的综合作用影响了石墨烯基催化剂的催化活性，但是每个因素的影响程度及途径还未明了。与表面敏感探测技术相连，研究各种掺杂原子在石墨烯基材料中起的作用，进行详细的计算机模拟是很必要的。如果这些信息可以被解释清楚，通过合理的设计可以进一步提高材料的性能。很明显，双掺杂石墨烯的制备方法和性能仍有很大提升空间，需进一步研究。因此，最有效的制备高活性氮掺杂石墨烯的合成方法可以用来合成二元或三元掺杂石墨烯材料，石墨烯基材料的氧还原反应会大大提高。最后，定制石墨烯基双掺杂材料的结构，使氧气能有效进入，产物有效移出，可以进一步促进其性能改变。再就是通过模板法制备介孔或者大孔的材料，孔的尺寸、孔率、形状

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旋转圆盘电极实物图

旋转圆盘电极

9图 1.3 旋转圆盘电极的结构旋转圆盘电极的结构高度对称，理论基础坚实，实验条件易于改变，以确且定量的描述各个变量中的关系，并且能够较容易的测量出电化学反个动力学参数。这些优势都使其在现代电化学领域里有广泛的应用尤其腐蚀领域，例如测定金属的腐蚀速率，或是同时进行的两个共轭反应的分，实际生活中可以预测各种金属构件的腐蚀电位以及腐蚀速度变化，

【参考文献】