双钙钛矿型GdBaCo 2 O 5+δ 氧电极的电催化性能研究
发布时间：2021-09-01 12:16
随着当今的社会的快速发展,对于能源的需求大大增加。这就需要我们寻求清洁、高效和可持续的电化学能源储存和转换设备,来满足社会的可持续增长。例如金属空气电池,燃料电池以及电解池等装置。但是,主导这些装置的氧还原反应（ORR）以及氧析出反应（OER）的电化学动力学过程比较缓慢,限制了这类能源装置的发展。这使得开发有效的双功能催化剂成为这些电化学能源存储和转换技术的主要目标。近年来,双钙钛矿体系材料由于其性能优异、成本价格低廉、性能稳定等优点,收到了广泛关注。本文是在双钙钛矿材料GdBaCo2O5+δ（GBCO）的基础上,以淬火和Sr掺杂方式对其进行优化处理,从而提高GBCO氧电极的双功能催化性能和催化稳定性。本文使用固相法合成GBCO材料,并对其进行700℃、800℃和900℃的淬火处理,得到GBCO700、GBCO800和GBCO900。使用旋转圆盘电极（RDE）和电化学工作站对GBCO及淬火材料进行ORR和OER催化性能及稳定性等测试,并将GBCO和淬火材料应用于固体氧化物燃料电池（SOFC）的氧电极进行阻抗谱、极化曲线和稳定性的测试。此外,还...
【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】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LnBaCo2O5+δ双钙钛矿的结构示意图[34]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文8绝缘材料(Teflon或聚醚醚酮)的内部[37]，如图1-2所示。使用旋转圆盘电极系统进行的测试通常是在电解池中进行的。使用旋转圆盘电极测试与其他类型的三电极测试体系没有实质性区别，不同之处在于，使用旋转圆盘电极可以设置不同的旋转速率，可以分析电流对旋转速率的依赖性。为了提高测试的准确性，必须保持旋转平面的水平状态，并保证足够大的空间，以便自然对流剖面保持不受干扰，没有湍流或涡旋发生。同时，避免溶液在绝缘罩和电极材料之间泄漏也很重要[39]。图1-2旋转圆盘电极的侧面和平面示意图旋转圆盘电极表面的化学反应涉及到氧的转移、质子的转移以及有机化合物的氧化和还原等多种反应[40]。Levich公式是理解旋转圆盘电极反应机理的重点，根据Levich公式[40,41,42]：Ik=0.62nFAD2/3ν-1/6ω1/2c(n是反应中转移的电子数，F法拉第常数，A是电极的表面积，ν是溶液的运动粘度，c是物质浓度，ω为旋转的角频率)，可见极限电流与转速的平方根成正比。如果已知电极表面积A和转移电子数n以及反应物质的总浓度c和电解质溶液的运动粘度ν，则可以通过测量极限电流来确定反应物质的扩散系数D。因此，为了能够利用Levich方程来确定扩散系数，就需要明确极限电流与转速之间的关系。1.5固体氧化物燃料电池(SOFC)简介燃料电池将燃料气体的化学能直接转化为电能，并且不需要燃烧，是一种高效且清洁的装置。与其他类型的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池(SOFC)具有几个明显的特点：(1)与其他类型的燃料电池相比，SOFC的电流密度和功率密度相对较高；(2)电解质电阻率通常可以忽略不计，在大多数情况下，电池性能的损耗主要来自于阴极；(3)氢气、甲烷和酒精均可直接用作燃料，而无需贵金属作为催化剂；(4)SOFC是以
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文9研究。1.5.1SOFC的工作原理SOFC的主要是通过将电解质与两个不同的电极(阳极和阴极)结合在一起组成的。多孔电极以三明治形式将固体电解质夹在中间，如图1-3[44]所示。在阴极侧通过氧还原过程产生O2-，然后，氧离子通过固体电解质转移到阳极，实现燃料的氧化过程，产生电子。最后，电子流过外部导线，从而产生电能[45]。图1-3固体氧化物燃料电池(SOFC)工作原理示意图[44]首先，燃料在阳极侧发生氧化反应。通过燃料的燃烧，使得在电解质的一侧，氧气的浓度大大降低，浓度差使得氧离子可以脱离电解质到达阳极侧，与被氧化的燃料反应，并释放出电子(e-)。此时电解质中会产生一个O2浓度梯度和大量的氧空位，该O2浓度梯度使得O2通过氧空位，从空气侧(或阴极)转移到燃料侧(或阳极)。如果在阴极和阳极之间存在电路连接，这导致电子可以从阳极流向阴极，持续供应电解质中的O2-，使得O2-源源不断的从阴极流向阳极，保持总体的电荷平衡，并且将燃料燃烧产生的化学能转化为电能[46]。具体反应化学方程式如下：阳极：燃料为H2：O2-+H2→H2O+OV+2e-(1-22)燃料为CO：O2-+CO→CO2+OV+2e-(1-23)阴极：O2+4e-+2OV→2OO(1-24)总反应：燃料为H2：O2+2H2→2H2O(1-25)燃料为CO：O2+2CO→2CO2(1-26)其中，OV是氧空位，OO表示阴极或电解质中的晶格氧。
【参考文献】：
硕士论文
[1]氧含量对层状钴氧化物LnBaCo2O5+δ（Ln=Nd,Gd）电磁学性质的影响[D]. 王世洪.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3376963
【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】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LnBaCo2O5+δ双钙钛矿的结构示意图[34]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文8绝缘材料(Teflon或聚醚醚酮)的内部[37]，如图1-2所示。使用旋转圆盘电极系统进行的测试通常是在电解池中进行的。使用旋转圆盘电极测试与其他类型的三电极测试体系没有实质性区别，不同之处在于，使用旋转圆盘电极可以设置不同的旋转速率，可以分析电流对旋转速率的依赖性。为了提高测试的准确性，必须保持旋转平面的水平状态，并保证足够大的空间，以便自然对流剖面保持不受干扰，没有湍流或涡旋发生。同时，避免溶液在绝缘罩和电极材料之间泄漏也很重要[39]。图1-2旋转圆盘电极的侧面和平面示意图旋转圆盘电极表面的化学反应涉及到氧的转移、质子的转移以及有机化合物的氧化和还原等多种反应[40]。Levich公式是理解旋转圆盘电极反应机理的重点，根据Levich公式[40,41,42]：Ik=0.62nFAD2/3ν-1/6ω1/2c(n是反应中转移的电子数，F法拉第常数，A是电极的表面积，ν是溶液的运动粘度，c是物质浓度，ω为旋转的角频率)，可见极限电流与转速的平方根成正比。如果已知电极表面积A和转移电子数n以及反应物质的总浓度c和电解质溶液的运动粘度ν，则可以通过测量极限电流来确定反应物质的扩散系数D。因此，为了能够利用Levich方程来确定扩散系数，就需要明确极限电流与转速之间的关系。1.5固体氧化物燃料电池(SOFC)简介燃料电池将燃料气体的化学能直接转化为电能，并且不需要燃烧，是一种高效且清洁的装置。与其他类型的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池(SOFC)具有几个明显的特点：(1)与其他类型的燃料电池相比，SOFC的电流密度和功率密度相对较高；(2)电解质电阻率通常可以忽略不计，在大多数情况下，电池性能的损耗主要来自于阴极；(3)氢气、甲烷和酒精均可直接用作燃料，而无需贵金属作为催化剂；(4)SOFC是以
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文9研究。1.5.1SOFC的工作原理SOFC的主要是通过将电解质与两个不同的电极(阳极和阴极)结合在一起组成的。多孔电极以三明治形式将固体电解质夹在中间，如图1-3[44]所示。在阴极侧通过氧还原过程产生O2-，然后，氧离子通过固体电解质转移到阳极，实现燃料的氧化过程，产生电子。最后，电子流过外部导线，从而产生电能[45]。图1-3固体氧化物燃料电池(SOFC)工作原理示意图[44]首先，燃料在阳极侧发生氧化反应。通过燃料的燃烧，使得在电解质的一侧，氧气的浓度大大降低，浓度差使得氧离子可以脱离电解质到达阳极侧，与被氧化的燃料反应，并释放出电子(e-)。此时电解质中会产生一个O2浓度梯度和大量的氧空位，该O2浓度梯度使得O2通过氧空位，从空气侧(或阴极)转移到燃料侧(或阳极)。如果在阴极和阳极之间存在电路连接，这导致电子可以从阳极流向阴极，持续供应电解质中的O2-，使得O2-源源不断的从阴极流向阳极，保持总体的电荷平衡，并且将燃料燃烧产生的化学能转化为电能[46]。具体反应化学方程式如下：阳极：燃料为H2：O2-+H2→H2O+OV+2e-(1-22)燃料为CO：O2-+CO→CO2+OV+2e-(1-23)阴极：O2+4e-+2OV→2OO(1-24)总反应：燃料为H2：O2+2H2→2H2O(1-25)燃料为CO：O2+2CO→2CO2(1-26)其中，OV是氧空位，OO表示阴极或电解质中的晶格氧。
【参考文献】：
硕士论文
[1]氧含量对层状钴氧化物LnBaCo2O5+δ（Ln=Nd,Gd）电磁学性质的影响[D]. 王世洪.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3376963
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