基于硅基纳米复合结构电极的碱性糖类燃料电池研究

发布时间：2017-10-01 02:24

  本文关键词：基于硅基纳米复合结构电极的碱性糖类燃料电池研究

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【摘要】：在通信基站和便携式电子设备中,燃料电池的应用研究已开展多年并逐步开始了商业化应用。相对于比较成熟的氢及甲醇燃料电池,糖类物质安全无毒、可利用量巨大,是一种更有前途的燃料物质。而硅基纳米结构材料比表面积大、机械稳定性高并能够同微电子工艺相兼容,与具有催化活性的材料复合以后,能够发挥协同作用,激发催化活性,现已运用于多种燃料电池设备构建中。本文先制备出了一种钯-镍/硅纳米线复合结构电极;而后研究了其对六种糖类物质的电催化氧化能力,得出燃料电池相关的基本指标参数;最后构建了简单的样机并分析了原理。具体而言,可将工作分为以下三个部分。一、利用基于伽伐尼原电池原理制备出了高度有序并拥有极大比表面积的硅纳米线阵列,而后利用无电镀镍技术在Si NWs阵列表面进行Ni的沉积,利用恒电流沉积法进行Pd的沉积,完成Pd-Ni/SiNWs复合电极的制备工作。使用扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线能谱等手段对其进行了表征。循环伏安扫描测试初步表明Pd-Ni/SiNWs复合电极拥有较好的电化学稳定性,背景溶液中50次扫描的相对标准差RSD≈4.33%;计算得出Pd-Ni/SiNWs复合电极的电化学表面活性面积约为51.5 cm2,较同表观面积的Pd-Ni/Si平面电极提高了约100倍。二、为得出燃料电池相关的基本指标参数,在碱性条件下开展了Pd-Ni/SiNWs复合电极对糖类电催化氧化能力的研究:以KOH为电解质,利用循环伏安法、计时电流法、塔菲尔曲线及开路电位-时间曲线等电化学测试手段,研究了在高浓度和低浓度条件下所制得的Pd-Ni/SiNWs复合电极对葡萄糖、果糖、麦芽糖、乳糖、蔗糖及淀粉等六种常见糖类物质的电催化氧化能力。所得结果表明,在本文实验体系中,Pd-Ni/SiNWs复合电极对四种还原性糖类均表现出了较好的电催化氧化能力。此外,在低浓度下条件下,响应电流在一定范围内呈现出了较好的线性特征。三、整合并对比分析了实验所得数据,成功构建了简单的糖类燃料电池测试样机。以果糖为例,其开路电压约为0.89 V,短路电流约为11 mA。此外,结合本文所得实验结果和相关的文献,探索性的讨论了碱性条件下钯基催化剂对糖类的催化氧化机理。
【关键词】：燃料电池 钯-镍/硅纳米线 糖类 通信电源
【学位授予单位】：齐齐哈尔大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 课题背景及意义8-9
• 1.2 通信用燃料电池的发展及研究现状9-12
• 1.2.1 燃料电池概述9
• 1.2.2 通信用燃料电池的现状9-10
• 1.2.3 燃料电池的燃料物质发展10-11
• 1.2.4 糖类燃料电池阳极的研究现状11-12
• 1.3 本文主要研究内容12-14
• 2 Pd-Ni/SiNWs复合电极的制备表征及性能测试14-27
• 2.1 硅基电极衬底的制备及表征14-16
• 2.1.1 基于伽伐尼原电池刻蚀制备多孔硅结构电极衬底14-15
• 2.1.2 SiNWs形貌表征15-16
• 2.2 Pd-Ni/SiNWs阵列电极的制备及表征16-23
• 2.2.1 镍的无电镀17-18
• 2.2.2 钯的电沉积18-21
• 2.2.3 Pd-Ni/SiNWs复合电极表征21-23
• 2.3 Pd-Ni/SiNWs复合电极性能测试23-25
• 2.3.1 背景溶液测试及稳定性分析23-24
• 2.3.2 电化学活性面积计算24-25
• 2.4 本章小结25-27
• 3 Pd-Ni/SiNWs复合电极对单糖的电化学性能测试27-42
• 3.1 实验测试体系及测试技术27-30
• 3.1.1 电极体系27-28
• 3.1.2 相关测试技术28-30
• 3.2 Pd-Ni/SiNWs电极对葡萄糖的电化学性能测试30-33
• 3.2.1 电化学基本性能参数测试及分析30-33
• 3.2.2 葡萄糖浓度对电流响应的影响33
• 3.3 Pd-Ni/SiNWs电极对果糖的电化学性能测试33-41
• 3.3.1 电化学基本性能参数测试及分析34-36
• 3.3.2 体系组分浓度影响36-38
• 3.3.3 低浓度条件下的响应及线性度38-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 Pd-Ni/SiNWs复合电极对二糖及多糖的电化学性能分析42-54
• 4.1 Pd-Ni/SiNWs电极对麦芽糖的电化学性能测试42-47
• 4.1.1 电化学基本性能参数测试及分析42-44
• 4.1.2 体系中溶液浓度影响44-46
• 4.1.3 低浓度条件下的响应及线性度46-47
• 4.2 Pd-Ni/SiNWs电极对乳糖的电化学性能测试47-52
• 4.2.1 电化学基本性能参数测试及分析47-49
• 4.2.2 体系溶液浓度影响49-51
• 4.2.3 低浓度条件下的响应及线性度51-52
• 4.3 Pd-Ni/SiNWs电极对蔗糖的电化学性能测试52
• 4.4 Pd-Ni/SiNWs电极对淀粉的电化学性能测试52-53
• 4.5 本章小结53-54
• 5 模型机的封装及讨论分析54-59
• 5.1 糖类燃料电池的测试样机54-56
• 5.1.1 数据整合及分析54-55
• 5.1.2 模型样机测试55-56
• 5.2 电极催化氧化糖类机理分析56-59
• 结论59-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士学位期间学术成果情况64-65
• 致谢65

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本文编号：951802