生物质碳基杂化材料的制备、表征及电催化性能研究
发布时间：2021-03-01 01:37
氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）是金属-空气电池以及燃料电池的关键反应。阴极催化剂决定了器件的功率密度。虽然贵金属（如Pt）和金属氧化物（如RuO2和IrO2）是ORR和OER最有效和最广泛使用的催化剂,但它们的高成本,对甲醇的低耐受性和有限的稳定性显著阻碍了它们在大规模能源设备中的应用。因此,开发具有高活性和强耐久性的低成本催化剂对ORR和OER极为重要。分级多孔碳材料因其良好的导电性能和独特的网络多级孔道结构对电解液的浸润、电催化传质过程及电化学性能提升起到关键作用,而广泛应用于化学储能及动力电池器件等新能源领域。多孔碳纳米材料具有相互连通的多级孔道结构,不仅可以缩短离子在碳材料中的传输距离,而且碳基质还提供了一个连续快速电子传输的路径,且其结构互连性保证了该材料具有更高的电导率和更好的机械稳定性。因此,开发过程简易以及催化活性高的纳米多孔碳材料制备技术具有重要的现实意义。本论文从构建新型、高效的生物质碳基电催化剂方面进行了研究,具体内容如下:1.通过直接转化天然生物质桉木制备了具有高强度,多级孔隙结构氮掺杂催化剂。通过使用酶选...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：210 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于电催化的可持续能源格局[1]
第一章绪论321%的氧气。氧气可以通过植物的光合作用不断产生，因此，金属-空气电池正极有着无限的容量。其次，作为活性物质的氧气处于金属-空气电池的外部，进一步提高了金属-空气电池的理论比能量。（2）相比于其他类型电池，金属-空气电池的性能也更加稳定。金属-空气电池能工作在较高的电流密度下，如果将作为空气电极活性物质的氧气浓度提升，则可以在更高的电流密度下工作。图1-2金属-空气电池中各种金属阳极的理论比能，体积能量密度和标称电池电压[14]Fig.1-2Theoreticalspecificenergies,volumetricenergydensities,andnominalcellvoltagesforvariousmetalanodesinaqueousandnon-aqueousmetal-airbatteries[14]金属-空气电池中各种金属阳极的理论比能（即质量能量密度）、体积能量密度和标称电池电压，如图1-2所示。对于二次金属-空气电池，金属锂被认为是最具发展潜力的一种阳极材料，因为它具有最高的理论比能（5928Whkg-1）和高电池电压（标称2.96V）。然而，当其暴露于空气和含水电解质时，金属锂具有不稳定性的缺点[10]。镁和铝-空气电池都与含水电解质兼容，并且具有与锂-空气电池相当的能量密度。然而，它们的低还原电位通常会导致电池快速自放电和较低的库仑效率[11]。锌和铁可以更稳定地在水系电解液中充电，其中，锌因其在水系金属-空气电池中具有更高的能量密度和电池电压而受到更多的关注。同时锌在地壳中含量丰富且价格低廉。更重要的是，锌-空气电池具有相对高的理论比能量密度（1218Whkg-1）和与锂-空气电池相当的体积能量密度（6136WhL-1）。高体积能量密度对于移动和便携式设备（如电动汽车和个人电子设备）
沙涞缧?空气电池可分为机械可充电式和电力可充电式。机械充电的锌-空气电池，是通过去除废锌并重新供应新的锌阳极来实现对电池充电。这避免了锌电极可逆性差和双功能空气电极不稳定的问题。然而，由于建立锌供应站网络的高成本，这个理念从未被广泛采用。最成功的电力可充电锌-空气电池采用流动电解质设计，大大提高了锌电极的耐用性。但由于空气电极上的氧还原反应具有较大的热力学阻力导致它的功率密度较低，如何提高其功率密度是一直以来待解决的一个问题。此外，在充电反应期间空气电极的腐蚀是另外一个关键问题。图1-3一种水系可充电锌空气电池充电状态示意图[14]Fig.1-3Schematicofanaqueousrechargeablezinc-airbatteryatchargingstatus[14]锌-空气电池通常由四个主要组件组成：空气电极，包括具有催化剂涂层的气体扩散层(GDL)、碱性电解质、分离隔膜和锌电极[16,17]。可充电锌-空气电池的原理如图1-3所示。在放电过程中，锌-空气电池在碱性电解液存在的情况下，通金属过锌与空气电极的电化学耦合，起到发电的作用。锌电极释放的电子通过外部负载到达空气电极，失去电子的锌生成锌离子。同时，大气中的氧扩散到多孔的空气电极中，在氧(气体)、电解质(液体)、电催化剂(固体)的界面处，通过氧还原反应，还原为氢氧根离子。生成的氢氧根离子从阴极迁移到锌电极，形成锌酸盐(Zn(OH)42-)离子，然后进一步分解为氧化锌（ZnO）。在充电过程中，锌-空气电池能够通过发生在电极-电解质界面的氧析出反应(OER)储存电能，而锌沉积在锌电极表面。总的反应可以简单地描述为Zn与O2结合形成ZnO[18,19]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sulphur-doped ordered mesoporous carbon with enhanced electrocatalytic activity for the oxygen reduction reaction[J]. Liping Wang,Weishang Jia,Xiaofeng Liu,Jingze Li,Maria Magdalena Titirici. Journal of Energy Chemistry. 2016(04)
[2]高活性的非金属多孔氮掺杂碳纳米管氧还原及析氧反应催化剂(英文)[J]. 潘婷,刘红缨,任广元,李玉南,鹿现永,朱英. Science Bulletin. 2016(11)
博士论文
[1]质子交换膜燃料电池非贵金属阴极催化剂的制备及性能研究[D]. 林玲.中国科学技术大学 2017
[2]多孔碳材料的结构调控、功能化及电催化应用研究[D]. 李冕.东北师范大学 2017
[3]生物质衍生掺杂碳基催化剂的制备及其氧还原电催化性能的研究[D]. 刘芳芳.华南理工大学 2015
本文编号：3056761
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：210 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于电催化的可持续能源格局[1]
第一章绪论321%的氧气。氧气可以通过植物的光合作用不断产生，因此，金属-空气电池正极有着无限的容量。其次，作为活性物质的氧气处于金属-空气电池的外部，进一步提高了金属-空气电池的理论比能量。（2）相比于其他类型电池，金属-空气电池的性能也更加稳定。金属-空气电池能工作在较高的电流密度下，如果将作为空气电极活性物质的氧气浓度提升，则可以在更高的电流密度下工作。图1-2金属-空气电池中各种金属阳极的理论比能，体积能量密度和标称电池电压[14]Fig.1-2Theoreticalspecificenergies,volumetricenergydensities,andnominalcellvoltagesforvariousmetalanodesinaqueousandnon-aqueousmetal-airbatteries[14]金属-空气电池中各种金属阳极的理论比能（即质量能量密度）、体积能量密度和标称电池电压，如图1-2所示。对于二次金属-空气电池，金属锂被认为是最具发展潜力的一种阳极材料，因为它具有最高的理论比能（5928Whkg-1）和高电池电压（标称2.96V）。然而，当其暴露于空气和含水电解质时，金属锂具有不稳定性的缺点[10]。镁和铝-空气电池都与含水电解质兼容，并且具有与锂-空气电池相当的能量密度。然而，它们的低还原电位通常会导致电池快速自放电和较低的库仑效率[11]。锌和铁可以更稳定地在水系电解液中充电，其中，锌因其在水系金属-空气电池中具有更高的能量密度和电池电压而受到更多的关注。同时锌在地壳中含量丰富且价格低廉。更重要的是，锌-空气电池具有相对高的理论比能量密度（1218Whkg-1）和与锂-空气电池相当的体积能量密度（6136WhL-1）。高体积能量密度对于移动和便携式设备（如电动汽车和个人电子设备）
沙涞缧?空气电池可分为机械可充电式和电力可充电式。机械充电的锌-空气电池，是通过去除废锌并重新供应新的锌阳极来实现对电池充电。这避免了锌电极可逆性差和双功能空气电极不稳定的问题。然而，由于建立锌供应站网络的高成本，这个理念从未被广泛采用。最成功的电力可充电锌-空气电池采用流动电解质设计，大大提高了锌电极的耐用性。但由于空气电极上的氧还原反应具有较大的热力学阻力导致它的功率密度较低，如何提高其功率密度是一直以来待解决的一个问题。此外，在充电反应期间空气电极的腐蚀是另外一个关键问题。图1-3一种水系可充电锌空气电池充电状态示意图[14]Fig.1-3Schematicofanaqueousrechargeablezinc-airbatteryatchargingstatus[14]锌-空气电池通常由四个主要组件组成：空气电极，包括具有催化剂涂层的气体扩散层(GDL)、碱性电解质、分离隔膜和锌电极[16,17]。可充电锌-空气电池的原理如图1-3所示。在放电过程中，锌-空气电池在碱性电解液存在的情况下，通金属过锌与空气电极的电化学耦合，起到发电的作用。锌电极释放的电子通过外部负载到达空气电极，失去电子的锌生成锌离子。同时，大气中的氧扩散到多孔的空气电极中，在氧(气体)、电解质(液体)、电催化剂(固体)的界面处，通过氧还原反应，还原为氢氧根离子。生成的氢氧根离子从阴极迁移到锌电极，形成锌酸盐(Zn(OH)42-)离子，然后进一步分解为氧化锌（ZnO）。在充电过程中，锌-空气电池能够通过发生在电极-电解质界面的氧析出反应(OER)储存电能，而锌沉积在锌电极表面。总的反应可以简单地描述为Zn与O2结合形成ZnO[18,19]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sulphur-doped ordered mesoporous carbon with enhanced electrocatalytic activity for the oxygen reduction reaction[J]. Liping Wang,Weishang Jia,Xiaofeng Liu,Jingze Li,Maria Magdalena Titirici. Journal of Energy Chemistry. 2016(04)
[2]高活性的非金属多孔氮掺杂碳纳米管氧还原及析氧反应催化剂(英文)[J]. 潘婷,刘红缨,任广元,李玉南,鹿现永,朱英. Science Bulletin. 2016(11)
博士论文
[1]质子交换膜燃料电池非贵金属阴极催化剂的制备及性能研究[D]. 林玲.中国科学技术大学 2017
[2]多孔碳材料的结构调控、功能化及电催化应用研究[D]. 李冕.东北师范大学 2017
[3]生物质衍生掺杂碳基催化剂的制备及其氧还原电催化性能的研究[D]. 刘芳芳.华南理工大学 2015
本文编号：3056761
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