锌-空气电池空气电极的制备及研究

发布时间：2017-04-23 10:16

  本文关键词：锌-空气电池空气电极的制备及研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着人类对能源需求的增加和化石能源储量日益减少，能源的利用、转换及新能源开发引起人们的广泛关注。燃料电池是一种高效洁净的新能源，其中锌-空气电池以其优异的比能量及安全性成为人们关注的焦点。锌具有储量丰富、成本低、比容量高等优点，但是锌-空气电池所使用的贵金属催化剂价格昂贵，难以广泛应用。本文研究了廉价催化剂，以期实现锌-空气电池大规模工业化生产。 本文以碳载体作为催化剂，研究了不同碳（煤质活性碳、木质活性碳、化学法活性碳、乙炔黑、V-72R活性碳、酚醛活性碳）种类及不同的预处理方式对碳载体催化效果的影响。结果表明：煤质活性碳与酚醛活性碳催化性能较好；最佳预处理方式为醇洗；将V-72R活性碳与醇洗煤质活性碳混合使用，当二者质量比为1:5时，催化效果最佳。碳载体为催化剂的催化层正交试验结果表明：碳载体、PTFE、Na_2SO_4质量比为20:6:5且不添加乙炔黑时催化效果最佳。 以廉价的MnO_2/C作为空气电极的催化剂，研究了合成工艺、锰源和后处理方式对催化性能的影响。得出最佳合成路线：合成工艺为归一法，锰源为硫酸锰，MnO_2与碳载体的质量比为9:20，KMnO4浓度为15g/L，MnSO4·H2O与KMnO4摩尔比为1.5:1。应用最佳路线制得的MnO_2/C催化剂的锌-空气电池输出比功率可维持在100mW/cm2以上。利用单因素分析法分析了MnO_2/C为催化剂的催化层，结果表明：Na_2SO_4与碳载体的质量比为1:4，PTFE与总碳（碳载体与乙炔黑）的质量比为3:10且不含乙炔黑时，空气电极的性能最好。烘干后的空气电极经乙醇处理后，可提高电池的比功率；成型压力在0.875MPa/cm2下可制备性能较好的空气电极；高温热处理空气电极对其性能影响明显，温度越高，催化性能下降越明显。 利用高分子保护法制备了碳载纳米银（Nano-Ag/C）催化剂，当PVP与AgNO3的质量比为2:1及Ag~+浓度为0.01mol/L时，制备的催化剂催化活性最好。利用正交试验分析了Ag/C催化剂的催化层，得出最佳配比：碳载体、PTFE、Na_2SO_4、Ag的质量比为20:8:7:4。研究了MnO_2在MnO_2-Ag/C复合催化剂配比，得出最佳配比：MnO_2(归一法)与碳载体的质量比是1:5。比较了各类催化剂的催化能力和稳定性大小，得出催化能力大小顺序为：MnO_2-Ag/C，Ag/C，MnO_2/C，碳载体。稳定性大小顺序为：Ag/C，MnO_2-Ag/C，MnO_2/C，碳载体。 采用SWOT分析法分析了锌-空气电池的市场优势、市场劣势、市场需求和市场竞争，分析结果表明：采用MnO_2/C作为空气电极的催化剂得到的锌-空气电池具有很强的市场竞争力。
【关键词】：锌-空气电池 空气电极 碳载体 MnO_2/C Ag/C
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ426;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 引言11-12
• 1.2 锌-空气电池12-18
• 1.2.1 锌-空气电池的发展及研究现状12-13
• 1.2.2 锌-空气电池的特点13-16
• 1.2.3 锌-空气电池的工作原理16-18
• 1.2.4 锌-空气电池的分类18
• 1.3 空气电极18-20
• 1.3.1 空气电极在锌-空气电池中的地位18-19
• 1.3.2 空气电极的结构19-20
• 1.4 空气电极的催化剂20-22
• 1.4.1 贵金属及其合金催化剂20-21
• 1.4.2 金属氧化物催化剂21-22
• 1.4.3 金属螯合物催化剂22
• 1.5 本论文研究的意义及内容22-24
• 第2章 实验部分24-32
• 2.1 主要实验药品及仪器24-25
• 2.1.1 主要的实验药品24-25
• 2.1.2 主要的实验仪器25
• 2.2 碳载体的预处理25-26
• 2.3 MnO_2/C 催化剂的制备方法26-27
• 2.4 Ag/C 催化剂及 MnO_2-Ag/C 复合催化剂的制备27
• 2.5 空气电极的制备27-29
• 2.5.1 集流体的选择27-28
• 2.5.2 空气电极的各层排列方式28-29
• 2.5.3 空气电极的制备工艺流程29
• 2.6 XRD 物理表征29-30
• 2.7 空气电极的电化学测试30-31
• 2.7.1 开路电压测试30
• 2.7.2 Tafel 曲线测试30
• 2.7.3 动电位极化曲线测试30-31
• 2.7.4 恒流极化曲线测试31
• 2.8 锌-空气电池的放电测试31
• 2.9 研究路线31-32
• 第3章 碳载体的选择及其预处理32-45
• 3.1 引言32
• 3.2 碳载体的选择32-35
• 3.3 碳载体的预处理35-41
• 3.3.1 碳载体的醇洗预处理35-36
• 3.3.2 碳载体的碱洗预处理36-38
• 3.3.3 碳载体的酸洗预处理38
• 3.3.4 不同预处理方法的比较38-39
• 3.3.5 碳载体混合使用质量比优化39-40
• 3.3.6 颗粒大小对放电性能的影响40-41
• 3.4 碳载体作为催化剂催化层正交试验41-43
• 3.5 防水透气层优化43
• 3.6 本章小结43-45
• 第4章 MnO_2/C 催化剂的制备及研究45-61
• 4.1 引言45
• 4.2 MnO_2/C 催化剂的制备45-52
• 4.2.1 不同合成工艺对 MnO_2/C 催化剂影响45-46
• 4.2.2 微波对合成的 MnO_2/C 催化剂的影响46-48
• 4.2.3 不同锰源对 MnO_2/C 催化剂的影响48-50
• 4.2.4 MnO_2与碳载体的结合方式对放电性能影响50
• 4.2.5 归一法合成 MnO_2/C 工艺的优化50-52
• 4.3 MnO_2为催化剂的催化层各组分的优化52-55
• 4.3.1 造孔剂 Na_2SO_4与碳载体质量比的优化53
• 4.3.2 粘结剂 PTFE 与总碳质量比的优化53-54
• 4.3.3 乙炔黑与碳载体质量比的优化54-55
• 4.4 空气电极制备工艺的优化55-59
• 4.4.1 乙醇处理对空气电极的影响55-56
• 4.4.2 成型压力对空气电极的影响56-57
• 4.4.3 热处理温度对空气电极的影响57-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第5章 Ag/C 催化剂的制备及研究61-67
• 5.1 引言61
• 5.2 PVP 保护剂对 Ag/C 催化剂的影响61-62
• 5.3 Ag~+浓度对 Ag/C 催化剂的影响62-63
• 5.4 Ag/C 为催化剂的催化层正交试验63-64
• 5.5 MnO_2-Ag/C 复合催化剂中 MnO_2含量优化64-65
• 5.6 不同催化剂催化性能的比较65-66
• 5.7 本章小结66-67
• 第6章 市场分析及产业前景67-72
• 6.1 引言67
• 6.2 锌-空气电池的优势67-68
• 6.2.1 性能优势67
• 6.2.2 造价优势67-68
• 6.3 锌-空气电池的缺陷68-69
• 6.3.1 机理缺陷68
• 6.3.2 技术缺陷68-69
• 6.4 锌-空气电池的需求69-70
• 6.4.1 市场需求69-70
• 6.4.2 科研支撑70
• 6.4.3 政策支持70
• 6.5 锌-空气电池的竞争70-71
• 6.6 本章小结71-72
• 结论72-73
• 参考文献73-80
• 致谢80

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