导电碳纸基底上氮掺杂碳纳米管阵列的制备及其在锂空气电池中的应用

发布时间：2017-06-04 17:12

  本文关键词：导电碳纸基底上氮掺杂碳纳米管阵列的制备及其在锂空气电池中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂空气电池因具有(11140 Wh kg-1,不包括氧气)较高的理论能量密度而备受关注。目前,对锂空气电池的研究还停留在实验室阶段,其主要原因是因为锂空气电池的实际比能量密度远远低于理论值、循环性能不够理想。影响锂空气电池性能的因素有很多,其中阴极材料作为反应的场所及催化剂的载体,承担了电池大部分的过电位,对电池的性能的限制至关重要。当前,对锂空气电池阴极材料的研究主要集中于碳材料,其中掺氮碳纳米管(N-CNTs)具有平行孔结构、对氧化还原催化活性和稳定性高等优势,可有效解决锂空气电池存在的能量密度低、循环性能不足等问题。然而,目前成功制备序列性较好的氮掺杂碳纳米管阵列(N-CNTAs),基底为石英片或金属板,限制了其在空气电极中的应用。所以本课题将导电碳纸的一侧预处理后作为基底,利用化学气相沉积法制备出N-CNTAs,采用SEM、TEM、XRD、FT-IR等方法表征其形貌结构,CV、EIS、恒流充放电等方法表征电池的性能,并考察了不同碳氮摩尔比和不同氮源的N-CNTAs作阴极材料时对锂空气电池性能的影响,得到如下结果:1.不同氮含量的N-CNTAs/carbon paper的制备及表征结果采用化学气相沉积法,以乙二胺为氮源,二甲苯为碳源,二茂铁为催化剂,在预处理过的碳纸一侧制备出高度定向且石墨化程度较高的N-CNTAs,管壁平滑,管径均匀,其中,碳氮原子摩尔比为20:1的时候,材料的晶型最好,吡啶氮的比例最高,催化活性最高,相应的锂空气电池性能最好。2.不同氮源的N-CNTAs/carbon paper的制备及表征结果采用不同氮源(a-氮氮二甲基甲酰胺、b-二乙胺、c-三乙胺、d-乙二胺、e-吡啶、f-乙腈),同一碳氮原子摩尔比(20:1)制备出N-CNTAs。通过考察N-CNTAs的晶型以及电池的性能得到以下结果:(1)XRD结果表明,六种不同氮源制备的N-CNTAs/carbon paper石墨化程度均比较高,石墨化程度大小顺序为:afbdec。(2)FT-IR结果表明,氮源不同材料中吡啶氮的比例不同,吡啶氮的比例在六种不同空气阴极中的大小顺序是:dcefab。(3)充放电测试及阻抗、循环伏安测试结果表明,三乙胺作氮源时材料的催化活性最好,其次是乙二胺和吡啶,DMF、二乙胺和乙腈的效果较差,以上结论与红外结果基本一致。综合说明材料的催化活性与晶型关系不大,主要和吡啶氮的比例有关,吡啶氮的比例越大其催化活性越高。
【关键词】：掺氮碳纳米管阵列 空气电极 制备 锂空气电池 电化学性能
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TM911.41
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 锂空气电池的研究背景11-25
• 1.1 当前能源形势11-12
• 1.1.1 国际能源形势11
• 1.1.2 国内能源形势11-12
• 1.2 洁净能源发展简介12-13
• 1.3 锂空气电池研究简介13-15
• 1.3.1 锂空气电池的工作原理13-14
• 1.3.2 锂空气电池的结构及功能14-15
• 1.3.3 锂空气电池的应用前景15
• 1.4 锂空气电池的研究现状15-19
• 1.4.1 锂空气电池阴极材料的研究现状15
• 1.4.2 各类炭黑作为阴极材料的研究现状15-16
• 1.4.3 介孔碳作为阴极材料的研究现状16-17
• 1.4.4 石墨烯作为阴极材料的研究现状17
• 1.4.5 氮掺杂碳纳米管作为阴极材料的研究现状17-19
• 1.5 锂-空气电池催化剂对电池性能的影响19-21
• 1.5.1 金属氧化物作为催化剂的研究现状19-20
• 1.5.2 贵金属作为催化剂的研究现状20-21
• 1.6 电解液对电池性能的影响21
• 1.7 锂空气电池存在的问题21-22
• 1.8 氮掺杂碳纳米管阵列的优势及制备方法22-23
• 1.9 本文的研究思路及研究内容23-25
• 第二章 实验部分25-31
• 2.1 实验药品25-26
• 2.2 实验仪器26
• 2.3 实验26-28
• 2.3.1 炭黑的氧化26-27
• 2.3.2 碳纸的清洗及悬浮液的配制27
• 2.3.3 碳片的涂抹27
• 2.3.4 碳片的氧化27
• 2.3.5 催化剂前驱体溶液的配制27
• 2.3.6 不同氮掺杂量的碳纳米管阵列的制备27-28
• 2.3.7 锂空气电池的组装28
• 2.4 氮掺杂碳纳米管阵列的物理表征28-29
• 2.4.1 傅里叶红外表征28
• 2.4.2 X射线衍射表征表征28
• 2.4.3 扫描电镜表征28-29
• 2.4.4 透射电镜表征29
• 2.5 氮掺杂碳纳米管阵列的电化学表征29-31
• 2.5.1 循环伏安测试29
• 2.5.2 阻抗测试29
• 2.5.3 电池充放电测试29-31
• 第三章 同种氮源氮掺杂碳纳米管阵列的制备及其在锂空气电池中的应用31-45
• 3.1 引言31-32
• 3.2 实验过程32-33
• 3.2.1 CNTAS和N-CNTAS的制备32
• 3.2.2 电池的组装32-33
• 3.3 N-CNTAS以及组装电池的结构33
• 3.4 结果及讨论33-42
• 3.4.1 XRD测试结果及讨论33-34
• 3.4.2 SEM、TEM测试结果及讨论34-35
• 3.4.3 红外测试结果及讨论35-36
• 3.4.4 电池充放电测试结果及讨论36-37
• 3.4.5 充放电前阻抗测试结果及讨论37-39
• 3.4.6 充放电前循环伏安测试结果及讨论39-40
• 3.4.7 充放电后阻抗测试结果及讨论40-41
• 3.4.8 充放电后循环伏安测试结果及讨论41-42
• 3.5 总结42-43
• 3.6 课题的创新性43-45
• 第四章 不同氮源对锂空气电池性能的影响45-59
• 4.1 前言45-46
• 4.2 实验过程46-47
• 4.3 结果与讨论47-58
• 4.3.1 FTIR测试结果及讨论47-48
• 4.3.2 SEM测试结果及讨论48
• 4.3.3 TEM测试结果及讨论48-49
• 4.3.4 XRD测试结果及讨论49-50
• 4.3.5 电池充放电测试结果及讨论50-56
• 4.3.6 CV测试结果及讨论56-57
• 4.3.7 EIS测试结果及讨论57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 总结与展望59-61
• 5.1 总结59-60
• 5.2 展望60-61
• 参考文献61-69
• 致谢69-71
• 攻读硕士期间发表的学术论文71

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