非贵金属多级结构材料的制备及其电催化性能研究
发布时间：2021-01-29 16:03
实现可再生能源规模化增长和实质性应用,不仅需要降低可再生能源本身成本,还需提高可再生能源的“可用性”,这也激发了可移动电化学能源转化、储存技术和装置的不断发展。近年来,伴随氢能研究热潮的再次兴起,燃料电池成为众多电化学能源转化技术中备受关注的一类。除了广泛研究的氢气燃料电池,金属（锂、锌、镁）燃料电池和直接硼氢化钠（水合肼、氨硼烷）燃料电池得益于燃料的相对便携、易储存的特点,也展现了不错的研究价值和应用前景。本论文以金属锌空气电池和直接硼氢化钠燃料电池为潜在应用对象,以电催化氧还原反应（ORR）和硼氢化钠氧化反应（BOR）为关键电化学反应,以开发低成本、高效能的ORR电催化剂和BOR电极材料为研究目的而开展。首先针对当前燃料电池普遍存在阴极氧还原反应动力学迟缓、依赖贵金属以及氧气扩散传质困难的问题,以廉价有机碳氮前驱体结合氯化钠模板和非贵金属盐催化作用,利用冷冻干燥和高温热解获得了非贵金属-氮掺杂的蜂窝状三维多孔碳ORR电催化材料（MN-HPC）。为进一步拓展空间利用率,提高活性和放电稳定性,在蜂窝状多孔碳（HPC）上原位负载了 CuZnMOF并通过高温热处理调控得到CuN掺杂HPC复...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１燃料电池的应用场景??Ｆｉｇｕｒｅｌ－１?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｓｃｅｎｅｓ?ｏｆ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌｓ??１??
所熟知［｜｜］，成熟的商业产品??在２０世纪３０年代就己开始出现［１２］。锌空气电池理论能量密度高达１０８６?Ｗｈ?ｋｇ－１??（含氧），实际可用能量密度位居众多一次电池系统前列［１２］。目前一次锌空气电??池己经广泛地应用于医疗和电信领域。锌空气电池虽然以高能量密度而著称，但??是由于可用的空气还原催化剂效率低下，其功率输出能力依然较低。此外，由于??锌的溶解和沉积不均匀以及缺乏令人满意的双功能空气催化剂，限制了可循环使??用的可充电锌空气电池的应用。??锌空气电池的装置示意图如图１?－２所示，它是由负极锌电极、正极空气电极、??碱性电解液以及隔膜等几部分组成【１３】。??．??Ｍａ?Ｚｎ（ＯＨ）４２－?＼??募?？??＊’?．??图１－２锌空气电池示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?］?－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｚｉｎｃ－ａｉｒ?ｂａｔｔｅｒｙ??在电池放电时，锌发生氧化反应产生可溶性锌离子（即Ｚｎ（ＯＨ）４２〇，此反应??过程通常进行到锌离子在电解质中达到过饱和为止，然后锌离子分解为不溶性氧??化锌（ＺｎＯ）。同时，还有可能发生金属锌与水发生反应产生氢气的副反应，导致??金属锌逐渐自腐蚀，降低活性物质的利用率。在正极，空气中的氧气经过扩散渗??透到达多孔气体扩散电极（ＧＤＥ）中，在与电解质紧密接触的催化剂表面被还原。??在锌空气电池的空气电极处发生的氧还原反应（ＯＲＲ）与碱性氢燃料电池中的??ＯＲＲ类似，主要产物为氢氧根离子。因此燃料电池与锌空气电池具有相类似的??电极和催化剂材料设计原理，许多性能优良的燃料电池ＯＲＲ催化剂也有望成为??锌空气电池的候选材料［１４＿１５１。??３??
了?ＤＢＨＦＣｓ?的概念，１９９９?年?Ａｍｅｎｄｏｌａ［１９］等人报道了??一种直接硼氢化物－空气燃料电池，该电池采用阴离子交换膜（ＡＥＭ）作为电解??质，在７０?°Ｃ时的最大功率密度为６０?ｍＷｃｍ＿２，且在理论值为８电子反应中达??到了实际７电子反应，表现出非常高的燃料利用率。ＤＢＨＦＣｓ被认为是一种非??常具有前景的能源供应设备，特别是在便携式能源设备领域。??根据氧化剂的不同，常见的ＤＢＨＦＣｓ可以分为ＮａＢＨ４－０２燃料电池和??ＮａＢＨ４—Ｈ２０２燃料电池，其工作原理如图１－３所示［气??Ａｎｏｄｅ?？?＋?Ｃａｔｈｏｄｅ??Ｆ?０２／Ａｉｒ／Ｈ２〇２?，，??＝５ｚ：?ＪＪ??ＮａＢＯａ＾ＨａＯ?ｊ?ＮａＯＨ?／??Ｍｍ?嘛??Ｍｅｍｂｒａｎｅ??Ｃａｔａｌｙｓｔ?ｌａｙｅｒｓ??Ｌ—?Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?ｌａｙｅｒｓ?Ｊ??Ｌ＿?Ｔｏｒａｙ?Ｐａｐｅｒｓ?－１??—?Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ????图１－３直接硼氢化钠燃料电池示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａ?ＤＢＨＦＣｓ??５??
本文编号：3007169
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１燃料电池的应用场景??Ｆｉｇｕｒｅｌ－１?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｓｃｅｎｅｓ?ｏｆ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌｓ??１??
所熟知［｜｜］，成熟的商业产品??在２０世纪３０年代就己开始出现［１２］。锌空气电池理论能量密度高达１０８６?Ｗｈ?ｋｇ－１??（含氧），实际可用能量密度位居众多一次电池系统前列［１２］。目前一次锌空气电??池己经广泛地应用于医疗和电信领域。锌空气电池虽然以高能量密度而著称，但??是由于可用的空气还原催化剂效率低下，其功率输出能力依然较低。此外，由于??锌的溶解和沉积不均匀以及缺乏令人满意的双功能空气催化剂，限制了可循环使??用的可充电锌空气电池的应用。??锌空气电池的装置示意图如图１?－２所示，它是由负极锌电极、正极空气电极、??碱性电解液以及隔膜等几部分组成【１３】。??．??Ｍａ?Ｚｎ（ＯＨ）４２－?＼??募?？??＊’?．??图１－２锌空气电池示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?］?－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｚｉｎｃ－ａｉｒ?ｂａｔｔｅｒｙ??在电池放电时，锌发生氧化反应产生可溶性锌离子（即Ｚｎ（ＯＨ）４２〇，此反应??过程通常进行到锌离子在电解质中达到过饱和为止，然后锌离子分解为不溶性氧??化锌（ＺｎＯ）。同时，还有可能发生金属锌与水发生反应产生氢气的副反应，导致??金属锌逐渐自腐蚀，降低活性物质的利用率。在正极，空气中的氧气经过扩散渗??透到达多孔气体扩散电极（ＧＤＥ）中，在与电解质紧密接触的催化剂表面被还原。??在锌空气电池的空气电极处发生的氧还原反应（ＯＲＲ）与碱性氢燃料电池中的??ＯＲＲ类似，主要产物为氢氧根离子。因此燃料电池与锌空气电池具有相类似的??电极和催化剂材料设计原理，许多性能优良的燃料电池ＯＲＲ催化剂也有望成为??锌空气电池的候选材料［１４＿１５１。??３??
了?ＤＢＨＦＣｓ?的概念，１９９９?年?Ａｍｅｎｄｏｌａ［１９］等人报道了??一种直接硼氢化物－空气燃料电池，该电池采用阴离子交换膜（ＡＥＭ）作为电解??质，在７０?°Ｃ时的最大功率密度为６０?ｍＷｃｍ＿２，且在理论值为８电子反应中达??到了实际７电子反应，表现出非常高的燃料利用率。ＤＢＨＦＣｓ被认为是一种非??常具有前景的能源供应设备，特别是在便携式能源设备领域。??根据氧化剂的不同，常见的ＤＢＨＦＣｓ可以分为ＮａＢＨ４－０２燃料电池和??ＮａＢＨ４—Ｈ２０２燃料电池，其工作原理如图１－３所示［气??Ａｎｏｄｅ?？?＋?Ｃａｔｈｏｄｅ??Ｆ?０２／Ａｉｒ／Ｈ２〇２?，，??＝５ｚ：?ＪＪ??ＮａＢＯａ＾ＨａＯ?ｊ?ＮａＯＨ?／??Ｍｍ?嘛??Ｍｅｍｂｒａｎｅ??Ｃａｔａｌｙｓｔ?ｌａｙｅｒｓ??Ｌ—?Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?ｌａｙｅｒｓ?Ｊ??Ｌ＿?Ｔｏｒａｙ?Ｐａｐｅｒｓ?－１??—?Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ????图１－３直接硼氢化钠燃料电池示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａ?ＤＢＨＦＣｓ??５??
本文编号：3007169
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3007169.html
