仿生电化学池及其应用

发布时间：2019-02-12 14:57

【摘要】：在电化学领域,诸如电解精炼铜、电解水制氢等许多电解过程存在传质困难以及气体产物覆盖电极活性位引起电极有效面积减小的问题,它们使电解过程的能耗增加,因此传质的强化研究在电化学工业上具有重要意义。本论文研究了自行设计制造的仿生电化学池(即由多个部件构成,其中每个部件完成一项功能并按反应顺序串联起来完成电化学反应的装置)在电解精炼铜和电解水中的应用,达到强化传质,提升电解效率,降低能耗的目的。并且在此基础上研究泡沫镍基复合物电极,以期提升其电解水性能。我们利用自行设计制造的仿生电化学池来电解精炼铜,并通过电解液的强制对流来加强电解液中离子的传质过程。实验发现,电解液的流动可以促进电解精炼铜过程,并且当电解液流动方向和SO42-的运动方向相同(即从阴极向阳极方向)时效果更好。例如,在50 A·m-2恒定电流密度下,槽电压和电耗随着循环速度的增大而减小,电流效率随着循环速度的增大逐渐增大,最后趋于稳定;当电解液的流动速度为600 mL·h-1(大约相当于电解槽内运动速度0.056cm·s-1)时,相对于电解液静止时,电解液同反向流动的槽电压分别降低了 35.5%和36.9%,电解效率均从94.4%提升到98.9%。这说明,通过电解液的强制流动促进电化学反应的传质过程是可行的。我们还设计了一种使用聚丙烯酸钠(PAAS)凝胶电解质的带有气体扩散层的电解水装置,其使用纯泡沫镍(NF)作为阴、阳极电极材料,记为NF‖NF。该设计的目的是研究产物的及时移除对电化学反应的影响。在此,就是使气体产物尽快地经气体扩散层逸出,从而降低气体在电极上的遮盖效应。实验发现,用6.0 M KOH和7.4 wt.%PAAS聚合物凝胶电解质可以同时兼顾机械性能和电化学性能,有最好的电化学性能,确定其为最佳凝胶电解质组成。该聚合物凝胶电解质的电解水性能要优于KOH溶液电解质,且还具有长期电化学稳定性。在2.0 V时,两者的电流密度分别为95.14 mA·cm-2和70.00 mA·cm-2,在100mA·cm-2恒定的电流密度下电解池电压分别为2.10V和2.16V。这表明,凝胶电解质和气体扩散层的使用可以实现我们最初的设想。为了提高所述凝胶电解质电解水装置的性能,我们还对电催化剂的制备及其性能进行了研究。首先利用恒电流电沉积法在2mA·cm-2、4mA·cm-2和8mA·cm-2三种不同沉积电流密度下制备了 Fe/NF和Ni-Fe/NF电极,并使其作为阴极,与泡沫镍阳极及最佳凝胶电解质分别组装成电解池NF‖Fe/NF和NF‖Ni-Fe/NF,测试其电解水性能。结果发现与前述NF‖NF电解池相比较,Fe/NF和Ni-Fe/NF电极大大提高了电解水的电化学性能。分别在2 mA·cm-2和4 mA·cm-2沉积电流密度下沉积的Fe/NF和Ni-Fe/NF电极具有最好的电化学性能,在2.0 V时的最大电解电流密度分别为250.4 mA.cm-2和293.7 mA·cm-2,在100mA·cm-2恒定的电流密度下电解池电压分别为1.94V和1.91 V。我们还使用恒电位电沉积法在不同沉积时间条件下制备了α-Co(OH)2/NF电极,并使其作为阳极,与泡沫镍阴极及最佳凝胶电解质组装成电解池α-Co(OH)2/NF‖NF,测试其电解水性能。结果发现,沉积时间为60min的α-Co(OH)2/NF电极具有最好的电化学性能。通过与最佳凝胶电解质组装的NF‖NF电解池相比较,发现α-Co(OH)2/NF阳极大大提升了电解水性能,其在2.0 V时的最大电流密度为280.4 mA·cm-2,在100 mA·cm-2恒定电流密度下的电解池电压为1.94 V。最后,我们把性能最好的α-Co(OH)2/NF阳极与性能最佳的Ni-Fe/NF阴极重新组装电解池α-Co(OH)2/NF‖Ni-Fe/NF,研究其电解水性能。结果发现其在2.0V时的电流密度高达344.2 mA·cm-2,在100mA·cm-2恒定的电流密度下电解池电压低至1.88V,且在10 mA·cm-2电流密度下14 h内一直保持着稳定的电解池电压,表现出了优异的长期电化学稳定性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O646

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 方扬帆,赵云麒,董灵英;用于离子色谱的电化学池的研制[J];岩矿测试;1991年04期

2 黄玮;孙艳;闫康平;王贵欣;王伟;;光电化学池降解苯酚溶液制氢[J];高校化学工程学报;2009年01期

3 周丽霞;刘淑娟;赵强;凌启淡;黄维;;基于离子型铱配合物的发光电化学池[J];化学进展;2011年09期

4 王昌益,郭永利,张东华,钟惠民,文孟良;一种微量与超微量测定生物碱的界面电化学池[J];云南大学学报(自然科学版);1985年03期

5 文孟良,王昌益;界面电化学池新方法测定维生素C[J];云南大学学报(自然科学版);1988年02期

6 朱元保,谢青季;光导纤维光谱电化学池的研制及初步应用[J];高等学校化学学报;1991年11期

7 郑国栋;孙浩然;曹锡章;;光程可调光透薄层光谱电化学池[J];分析化学;1991年12期

8 宋立国,王雪琳,奚正楷,唐元峰,买光昕;比色皿型薄层光谱电化学池的研制[J];分析化学;1992年12期

9 刘殿骏,郭庆斌,詹瑞云,徐杰,林祥钦;一种简易型顺磁波谱电化学池的设计和卟啉π-阳离子自由基的检测[J];分析化学;1993年08期

10 顾登平,张雪英,蒋殿录,马子川;一种新型的长光程薄层光谱电化学池[J];物理化学学报;1993年03期

相关会议论文 前10条

1 何磊;段炼;乔娟;董桂芳;王立铎;邱勇;;新型离子型铱金属配合物及其在固态发光电化学池中的应用[A];中国化学会第27届学术年会第12分会场摘要集[C];2010年

2 杨春和;李永舫;;共轭聚合物/离子液体复合型发光电化学池[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年

3 彭天右;杨焕平;赵德;刘华俊;;La-掺杂的介孔二氧化钛纳米粒子的制备[A];2004年全国太阳能光化学与光催化学术会议论文集[C];2004年

4 孙清江;杨春和;何谷峰;李永舫;;基于嵌段式共聚物的发蓝绿光聚合物发光电化学池的制备[A];第九届全国发光学术会议摘要集[C];2001年

5 林艳;谢刚;杨大锦;李荣兴;;粗锑电解精炼除铋[A];2008年全国湿法冶金学术会议论文集[C];2008年

6 杨世莹;代红坤;;复杂铜原料电解精炼及综合回收关键技术研究与产业化[A];第十六届中国科协年会——分10全国重有色金属冶金技术交流会论文集[C];2014年

7 冯德茂;陈胜利;李娟;;金川公司镍电解精炼生产最新进展[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展（下册）[C];1999年

8 林艳;谢刚;杨大锦;曾桂生;;粗锑电解精炼除砷的工艺研究[A];2006年全国冶金物理化学学术会议论文集[C];2006年

9 王淑兰;陈晓云;;CaCl_2-NaCl-CaO熔盐中电解精炼硅[A];2012年全国冶金物理化学学术会议专辑（上册）[C];2012年

10 郄富昌;彭庆文;唐致远;;锂离子电池负极材料Li_2ZnTi_3O_8/C纳米颗粒的制备及其电化学性能[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年

相关重要报纸文章 前2条

1 本报记者 李幼玲;让科技成果走出实验室[N];中国有色金属报;2014年

2 湖北 晓青;维修铅蓄电池时电解液配制量的计算及配制步骤[N];电子报;2010年

相关博士学位论文 前10条

1 冯良东;汞滴电极上的张力电化学测量及电化学池内电位降落补偿新方法的研究[D];中国科学技术大学;2006年

2 曲晓春;用于发光电化学池的离子型铱(Ⅲ)配合物的密度泛函理论研究[D];延边大学;2014年

3 卢桂霞;过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究[D];山东大学;2015年

4 胡梅娟;金属氧化物基锂/钠离子电池负极材料制备与电化学性能研究[D];浙江大学;2014年

5 刘芳延;基于综纤维素制备炭基复合材料及其电化学性能研究[D];东北林业大学;2015年

6 江小剑;基于脱合金法的锰基微纳结构的构筑及其电化学性能研究[D];山东大学;2015年

7 王聪;锂离子电池电极材料Li_3V_2(PO_4)_3的制备及其电化学性能改性研究[D];北京化工大学;2015年

8 莫润伟;高性能锂离子电池正极材料LiV_3O_8的制备及其电化学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

9 历彪;钛的含氟氧化物及其锂化产物纳米粒子的合成、表征与电化学性能研究[D];中国科学技术大学;2015年

10 张春艳;复杂结构过渡金属氧化物及其复合物锂离子电池负极材料的制备及电化学性能[D];安徽大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 赵肖媛;仿生电化学池及其应用[D];东南大学;2017年

2 张为超;改进型长光程薄层光谱电化学池的研制及其应用[D];曲阜师范大学;2001年

3 庞明利;多功能离子型铱配合物的设计、合成及其高效能的发光电化学池[D];东北师范大学;2011年

4 侯敏;新型联咪唑类离子型铱配合物的设计、合成与其发光电化学池的研究[D];东北师范大学;2012年

5 张静;新型离子型铱配合物的设计、合成及其在发光电化学池中的应用[D];东北师范大学;2010年

6 王杰;以联咪唑作为辅助配体的离子型铱配合物在发光电化学池中的应用[D];东北师范大学;2013年

7 赵云超;高纯钴制备工艺研究[D];河南科技大学;2017年

8 高玉qY;有机溶剂体系中铝的电解精炼研究[D];天津大学;2009年

9 雷月清;验证聚合物发光电化学池中p-n结的电流电压特性[D];北京交通大学;2008年

10 王绍灼;交直流叠加电解精炼铜的研究[D];山东理工大学;2010年

，

本文编号：2420534