锌—空气电池磷掺杂多孔碳及空气电极的制备与性能研究
发布时间：2021-02-22 04:55
锌-空气电池由于比能量密度大、安全性高和资源丰富等而受到广泛关注,然而合成高效的非贵金属电催化剂和解决空气电极极化严重问题是推广锌-空气电池应用的迫切而又具有挑战性的课题。本论文主要从提高催化剂活性及稳定性和优化空气电极制备工艺两个方面出发,关键是比较和分析相关参数以改善空气电极的放电性能。首先采用简单的一步热解法,在碳化过程中将杂原子磷（P）掺杂到花状双金属（Co/Zn）金属-有机骨架化合物（MOFs）衍生的钴、氮共掺杂多孔碳类催化剂（Co-N-C）中,制备出三维多孔Co@Co-NPC。改变P相对于催化剂的掺杂量,对Co-N-C材料进行掺杂改性。通过物理表征和旋转圆盘电极等电化学测试发现:当P的掺杂量为0.5%时,得到的3D-Co@Co-NPC-6具有良好的甲醇耐受性和循环稳定性,优于商业Pt/C催化剂,其半波电位为0.872 V,极限扩散电流密度为4.78mA cm-2。另外P的掺杂对氧析出催化活性的提升也有极大贡献,说明杂原子P的掺杂可以有效提高Co-N-C催化剂的活性及稳定性。当采用3D-Co@Co-NPC为催化剂组装锌-空气电池时,开路电位为1.486 ...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单原子分散的MnN4活性位点的形成示意图[33]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文14他两层的中间，或与气体扩散层放在一起，共同为气液传质及三相电化学反应过程提供有效的通道和场所。图1-6空气电极基本结构[59]1.5.2空气电极结构优化长期以来对空气电极的研究重点以及难点一直是催化剂材料的开发、改性等，包括碳载体腐蚀性研究、活性位点的设计和各种前驱体材料的制作方法，还有扩散层工艺的优化，相对很少对集流体结构进行改进。这是因为扩散层和集流体的功能有所重叠。扩散层主要是提供一个物理支撑，并且更好地保证氧气的扩散以及防止漏液。集流体在相当大程度上被用为催化层的骨架，需要具备高导电性、耐腐蚀性、高透气性以及良好的延展性和力学强度，最主要的是能汇集微电流并将电流导出。但是作为三相电化学反应的器件，还需具有良好的疏水性和导电性。从而一些研究人员在空气电极制作流程中将集流体及扩散层结合在一起。将扩散层制成金属网格/泡沫制成的多孔薄膜，暴露于外部环境的一面进一步涂上疏水性聚合物，如氟化聚乙烯（PVDF或PTFE）或聚乙丙烯，以获得疏水性表面，有助于提供气相通道和消除漏液影响等。但是这样做也会产生弊端，这是因为虽然集流体和扩散层的作用存在着交叉性，二者的主要作用——提供电极支撑和气相传输通道，却需要强弱不同的疏水性程度。集流体置于扩散层内部，与催化层相邻，同时需要保证疏水性气孔和亲水性液孔的数量均衡，便于氧气和电解液及时进到催化剂周围实现三相界面。但扩散层主要作用是防止电解液泄露和提供气体通道，要求有强的疏水性。在高温和强碱条件下，扩散层的疏水性很容易受到限制，从而导致电池性能的明显下降[62]。因此，主要从孔道结构出发改善影响因素，既能保证集流体的低电阻率和气体渗
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文1910oCmin-l，匀速通入Ar气，950oC下保持2h，得到最终产物，记为Co@Co-NC。2.3.33D-Co@Co-NPC-X的制备通过一步热解方法制备3D-Co@Co-NPC-X，将400mg的Co/Zn-MOF置于刚玉瓷舟中。在刚玉坩埚首端存在适量的NaH2PO2（分别为2mg、6mg和12mg），掺杂量如表2-3所示。将该刚玉瓷舟放入管式炉中，在950oC下以10oCmin-l的升温速率退火2h，得到Co@Co-NPC。最终产品分别记为3D-Co@Co-NPC-2，3D-Co@Co-NPC-6和3D-Co@Co-NPC-12。具体实验示意图如图2-1所示。表2-33D-Co@Co-NPC-X的实验制备方案编号m(Co/Zn-MOF):m(NaH2PO2)掺杂量ω(P)/mass%缩写1400:00Co@Co-NC2400:20.2%3D-Co@Co-NPC-23400:60.5%3D-Co@Co-NPC-64400:121.0%3D-Co@Co-NPC-12如图2-1所示3D-Co@Co-NPC-X制备示意图。图2-13D-Co@Co-NPC-X制备示意图2.4空气电极的制备4mg活性炭、1mg乙炔黑、和2.5mg催化剂溶于异丙醇，再滴加Nafion（5%，8μL）后，通过1h的超声形成均相催化剂墨水。经乙醇超声洗涤后，泡沫镍在80
【参考文献】：
期刊论文
[1]磷掺杂的介孔碳材料作为高效氧还原电催化剂（英文）[J]. 赵挥,胡忠攀,朱运培,葛丽,袁忠勇. Chinese Journal of Catalysis. 2019(09)
博士论文
[1]氧还原和氧析出电催化剂的制备及性能研究[D]. 孙薇.哈尔滨工业大学 2019
[2]杂原子掺杂石墨烯的合成及氧电极催化性能研究[D]. 李容.重庆大学 2015
硕士论文
[1]过渡金属和杂原子修饰的碳材料的制备及电催化性能研究[D]. 宋开绪.长春理工大学 2019
[2]杂原子掺杂三维多孔石墨烯的制备及其电催化性能研究[D]. 成超.江苏大学 2019
[3]铝—空气电池银—镍催化剂及催化层的制备与电化学性能研究[D]. 陈兴.哈尔滨工业大学 2018
[4]锌/空气电池氧还原电极的研究[D]. 杜香龙.山东农业大学 2018
[5]基于MOF的杂原子掺杂孔状碳材料的制备及其电化学性能研究[D]. 薛娟红.长春理工大学 2017
[6]锌空气电池空气电极的研究[D]. 王辉.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3045478
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单原子分散的MnN4活性位点的形成示意图[33]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文14他两层的中间，或与气体扩散层放在一起，共同为气液传质及三相电化学反应过程提供有效的通道和场所。图1-6空气电极基本结构[59]1.5.2空气电极结构优化长期以来对空气电极的研究重点以及难点一直是催化剂材料的开发、改性等，包括碳载体腐蚀性研究、活性位点的设计和各种前驱体材料的制作方法，还有扩散层工艺的优化，相对很少对集流体结构进行改进。这是因为扩散层和集流体的功能有所重叠。扩散层主要是提供一个物理支撑，并且更好地保证氧气的扩散以及防止漏液。集流体在相当大程度上被用为催化层的骨架，需要具备高导电性、耐腐蚀性、高透气性以及良好的延展性和力学强度，最主要的是能汇集微电流并将电流导出。但是作为三相电化学反应的器件，还需具有良好的疏水性和导电性。从而一些研究人员在空气电极制作流程中将集流体及扩散层结合在一起。将扩散层制成金属网格/泡沫制成的多孔薄膜，暴露于外部环境的一面进一步涂上疏水性聚合物，如氟化聚乙烯（PVDF或PTFE）或聚乙丙烯，以获得疏水性表面，有助于提供气相通道和消除漏液影响等。但是这样做也会产生弊端，这是因为虽然集流体和扩散层的作用存在着交叉性，二者的主要作用——提供电极支撑和气相传输通道，却需要强弱不同的疏水性程度。集流体置于扩散层内部，与催化层相邻，同时需要保证疏水性气孔和亲水性液孔的数量均衡，便于氧气和电解液及时进到催化剂周围实现三相界面。但扩散层主要作用是防止电解液泄露和提供气体通道，要求有强的疏水性。在高温和强碱条件下，扩散层的疏水性很容易受到限制，从而导致电池性能的明显下降[62]。因此，主要从孔道结构出发改善影响因素，既能保证集流体的低电阻率和气体渗
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文1910oCmin-l，匀速通入Ar气，950oC下保持2h，得到最终产物，记为Co@Co-NC。2.3.33D-Co@Co-NPC-X的制备通过一步热解方法制备3D-Co@Co-NPC-X，将400mg的Co/Zn-MOF置于刚玉瓷舟中。在刚玉坩埚首端存在适量的NaH2PO2（分别为2mg、6mg和12mg），掺杂量如表2-3所示。将该刚玉瓷舟放入管式炉中，在950oC下以10oCmin-l的升温速率退火2h，得到Co@Co-NPC。最终产品分别记为3D-Co@Co-NPC-2，3D-Co@Co-NPC-6和3D-Co@Co-NPC-12。具体实验示意图如图2-1所示。表2-33D-Co@Co-NPC-X的实验制备方案编号m(Co/Zn-MOF):m(NaH2PO2)掺杂量ω(P)/mass%缩写1400:00Co@Co-NC2400:20.2%3D-Co@Co-NPC-23400:60.5%3D-Co@Co-NPC-64400:121.0%3D-Co@Co-NPC-12如图2-1所示3D-Co@Co-NPC-X制备示意图。图2-13D-Co@Co-NPC-X制备示意图2.4空气电极的制备4mg活性炭、1mg乙炔黑、和2.5mg催化剂溶于异丙醇，再滴加Nafion（5%，8μL）后，通过1h的超声形成均相催化剂墨水。经乙醇超声洗涤后，泡沫镍在80
【参考文献】：
期刊论文
[1]磷掺杂的介孔碳材料作为高效氧还原电催化剂（英文）[J]. 赵挥,胡忠攀,朱运培,葛丽,袁忠勇. Chinese Journal of Catalysis. 2019(09)
博士论文
[1]氧还原和氧析出电催化剂的制备及性能研究[D]. 孙薇.哈尔滨工业大学 2019
[2]杂原子掺杂石墨烯的合成及氧电极催化性能研究[D]. 李容.重庆大学 2015
硕士论文
[1]过渡金属和杂原子修饰的碳材料的制备及电催化性能研究[D]. 宋开绪.长春理工大学 2019
[2]杂原子掺杂三维多孔石墨烯的制备及其电催化性能研究[D]. 成超.江苏大学 2019
[3]铝—空气电池银—镍催化剂及催化层的制备与电化学性能研究[D]. 陈兴.哈尔滨工业大学 2018
[4]锌/空气电池氧还原电极的研究[D]. 杜香龙.山东农业大学 2018
[5]基于MOF的杂原子掺杂孔状碳材料的制备及其电化学性能研究[D]. 薛娟红.长春理工大学 2017
[6]锌空气电池空气电极的研究[D]. 王辉.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3045478
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