过渡金属掺杂的碳材料复合物在锂硫电池和氧还原反应中的应用
发布时间：2021-11-13 15:11
过渡金属掺杂的纳米碳材料结合了纳米碳和过渡金属的优点,具有极佳的催化活性,在锂硫电池及电催化氧还原反应中均有广泛的应用。在过渡金属纳米碳复合材料中,铁掺杂的纳米碳材料属于催化活性较高的一类,但是仍然存在很多问题,例如,碳材料的导电性不足、导离子能力差、结构不稳定等等。基于此,我们设计了新的铁掺杂纳米碳材料,并研究了其在锂硫电池和氧还原反应中的作用。通过化学气相沉积法一步合成了铁/氮共掺杂的碳纳米管材料（Fe-N-CNTs）,我们得到了一种具有催化作用的竹节状中空结构、高比表面积的复合材料。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）以及透射电子显微镜（TEM）,证明了 Fe3C、Fe3N晶体的存在以及其竹节状中空结构,提高碳纳米管的导电性。另外,Tafel斜率以及起始电位的变化证明了 Fe-N-CNTs的催化性能,即充放电循环中加快了多硫化物之间转换反应速率。Fe-N-CNTs作为催化剂的同时还是锂硫电池中活性物质硫的载体,其负载单质硫时,表现出较高的容量;尤其是当硫的负载量达到13.12mgcm-2时,经过50圈的循环,比容量仍能保持在9.10 mAh cm-1（电流密度在2....
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３锂硫电池充放电过程示意图［６］??－
浙江大学硕士学位论文?＾??１．３．１锂硫电池的简介??１．３．１．１锂硫电池的原理??锂硫电池首次被提出是在十九世纪六十年代［４］，主要由四部分组成：硫正极、锂金属??负极、隔离器和锂硫电解液，其内部结构示意图如下图１．２所示。而正极材料，除了活性??物质硫之外，还包括硫载体物质、聚合物粘结剂、导电碳材料这些材料；电解液一般是使??用有机液态电解质。??ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｃｈａｒｇｅ??驗一??Ｃａｒｂｏｎ?ａｄｄｉｔｉｖｅ??图１．２锂硫电池结构示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｌｉｔｈｉｕｍ－ｓｕｌｆｕｒ?ｂａｔｔｅｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ＾??锂硫电池的容量主要来源于正极活性硫单质与负极锂金属发生的化学反应，即??ｌ６Ｌｉ＋Ｓｘ＾８Ｌｉ２Ｓ，如下图１．３示。放电过程中，该反应是一个典型的两步反应，第一步中，??环状Ｓｘ分子形成一系列可溶的多硫化物（Ｌｉ２Ｓｘ，４公ｃＳ８）；第二步再沉淀成固态的放电产物??（Ｌｉ２Ｓ２和Ｌｉ２Ｓ）。第一步放电平台的电压区域在２．３？２．１Ｖ?（ｖｓ丄ｉ＋／Ｌｉ，下同），理论容量??为４１８ｍＡｈｇ－１，第二步放电平台的低电压区域为２．１？１．７Ｖ，理论容量为１２５４?ｍＡｈｇ＿１。该??反应实质上是一个多步氧化还原反应，并且伴随着形态与结构的变化。??３〇－?Ｓ，＋?１６Ｌｉ．＋?１６ｅ?—?８ＵｊＳ??，Ｓｏｌｉｄ?—？?Ｌｉｑｕｉｄ??？?Ｓｏｌｉｄ??？２．６－?？??ｉ??＞?ｖ?????ｕ：ｓ，ｔｋ＼——??１．８－?Ｌ？八??１６Ｊ???？??Ｓｐｅｃｉｆｉｃ?ｃａｐａｃｉｔｙ?（ｍＡｈ?ｇ?）??图１．３
浙江大学硕士学位论文???场的集流板组成。质子交换膜主要是用来传递Ｈ＋、阻止电子的传递、隔离阴阳极的；气??体扩散层主要是用来提供气体传输通道、收集电流、支撑催化剂层和改善水的管理的；而??催化剂层主要是用来发生电极反应的。??质子交换膜??氛气入口＿１－，?．：■??１?氧气入口??ｈ?？圓?°２??Ｈ，?〇２??多余氧气二出口??催化剂Ｌ！?Ｉｅ催化剂??图１．４质子交换膜燃料电池的结构图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａ?ｐｒｏｔｏｎ?ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ??质子交换膜燃料电池工作原理为：ｈ２进入阳极后，扩散到达阳极催化剂表面，并在催??化剂的作用下分解形成质子和电子，而产生的质子和电子一个通过膜到达阴极，一个则沿??着外电路通过负载到达阴极。与此同时，〇２在扩散作用下到达阴极催化剂表面，并与质子、??电子在催化作用下发生氧还原反应（ＯｘｙｇｅｎＲｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ，简写：ＯＲＲ）生成水。阴??阳极反应和总反应如下所示：??阳极（氧化反应）：２Ｈ２—４Ｈ＋＋４ｅ－?Ｅ°＝０?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??阴极（还原反应）：〇２＋４Ｈ＋＋４ｅ－—２Ｈ２〇?Ｅ°＝ｌ?．２３?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??总反应：２Ｈ２＋〇２—２丨七Ｏ?Ｅ°＝ｌ．２３?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??氧还原反应是质子交换膜燃料电池阴极的主要反应，该反应的缺点是过程复杂、中间??产物多，而且其反应速率比阳极Ｈ２的还原反应低很多，这也是低温燃料电池效率损失的??原因，损失率可能占到整体电池效率损失的８０％［４叱因此，推进燃料
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向资源和环境的石油化工技术创新与展望[J]. 陈昌万. 云南化工. 2017(12)
[2]试论我国石化行业的环保现状及治理技术[J]. 刘汝斌. 化工管理. 2017(11)
博士论文
[1]网络结构碳/硫复合材料的制备及其在锂硫电池中的电化学性能研究[D]. 苗力孝.北京理工大学 2014
硕士论文
[1]锂离子电池Li-Mn-O系正极材料的制备和改性研究[D]. 路中培.江苏大学 2017
本文编号：3493239
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３锂硫电池充放电过程示意图［６］??－
浙江大学硕士学位论文?＾??１．３．１锂硫电池的简介??１．３．１．１锂硫电池的原理??锂硫电池首次被提出是在十九世纪六十年代［４］，主要由四部分组成：硫正极、锂金属??负极、隔离器和锂硫电解液，其内部结构示意图如下图１．２所示。而正极材料，除了活性??物质硫之外，还包括硫载体物质、聚合物粘结剂、导电碳材料这些材料；电解液一般是使??用有机液态电解质。??ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｃｈａｒｇｅ??驗一??Ｃａｒｂｏｎ?ａｄｄｉｔｉｖｅ??图１．２锂硫电池结构示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｌｉｔｈｉｕｍ－ｓｕｌｆｕｒ?ｂａｔｔｅｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ＾??锂硫电池的容量主要来源于正极活性硫单质与负极锂金属发生的化学反应，即??ｌ６Ｌｉ＋Ｓｘ＾８Ｌｉ２Ｓ，如下图１．３示。放电过程中，该反应是一个典型的两步反应，第一步中，??环状Ｓｘ分子形成一系列可溶的多硫化物（Ｌｉ２Ｓｘ，４公ｃＳ８）；第二步再沉淀成固态的放电产物??（Ｌｉ２Ｓ２和Ｌｉ２Ｓ）。第一步放电平台的电压区域在２．３？２．１Ｖ?（ｖｓ丄ｉ＋／Ｌｉ，下同），理论容量??为４１８ｍＡｈｇ－１，第二步放电平台的低电压区域为２．１？１．７Ｖ，理论容量为１２５４?ｍＡｈｇ＿１。该??反应实质上是一个多步氧化还原反应，并且伴随着形态与结构的变化。??３〇－?Ｓ，＋?１６Ｌｉ．＋?１６ｅ?—?８ＵｊＳ??，Ｓｏｌｉｄ?—？?Ｌｉｑｕｉｄ??？?Ｓｏｌｉｄ??？２．６－?？??ｉ??＞?ｖ?????ｕ：ｓ，ｔｋ＼——??１．８－?Ｌ？八??１６Ｊ???？??Ｓｐｅｃｉｆｉｃ?ｃａｐａｃｉｔｙ?（ｍＡｈ?ｇ?）??图１．３
浙江大学硕士学位论文???场的集流板组成。质子交换膜主要是用来传递Ｈ＋、阻止电子的传递、隔离阴阳极的；气??体扩散层主要是用来提供气体传输通道、收集电流、支撑催化剂层和改善水的管理的；而??催化剂层主要是用来发生电极反应的。??质子交换膜??氛气入口＿１－，?．：■??１?氧气入口??ｈ?？圓?°２??Ｈ，?〇２??多余氧气二出口??催化剂Ｌ！?Ｉｅ催化剂??图１．４质子交换膜燃料电池的结构图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａ?ｐｒｏｔｏｎ?ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ??质子交换膜燃料电池工作原理为：ｈ２进入阳极后，扩散到达阳极催化剂表面，并在催??化剂的作用下分解形成质子和电子，而产生的质子和电子一个通过膜到达阴极，一个则沿??着外电路通过负载到达阴极。与此同时，〇２在扩散作用下到达阴极催化剂表面，并与质子、??电子在催化作用下发生氧还原反应（ＯｘｙｇｅｎＲｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ，简写：ＯＲＲ）生成水。阴??阳极反应和总反应如下所示：??阳极（氧化反应）：２Ｈ２—４Ｈ＋＋４ｅ－?Ｅ°＝０?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??阴极（还原反应）：〇２＋４Ｈ＋＋４ｅ－—２Ｈ２〇?Ｅ°＝ｌ?．２３?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??总反应：２Ｈ２＋〇２—２丨七Ｏ?Ｅ°＝ｌ．２３?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??氧还原反应是质子交换膜燃料电池阴极的主要反应，该反应的缺点是过程复杂、中间??产物多，而且其反应速率比阳极Ｈ２的还原反应低很多，这也是低温燃料电池效率损失的??原因，损失率可能占到整体电池效率损失的８０％［４叱因此，推进燃料
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向资源和环境的石油化工技术创新与展望[J]. 陈昌万. 云南化工. 2017(12)
[2]试论我国石化行业的环保现状及治理技术[J]. 刘汝斌. 化工管理. 2017(11)
博士论文
[1]网络结构碳/硫复合材料的制备及其在锂硫电池中的电化学性能研究[D]. 苗力孝.北京理工大学 2014
硕士论文
[1]锂离子电池Li-Mn-O系正极材料的制备和改性研究[D]. 路中培.江苏大学 2017
本文编号：3493239
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