氮掺杂碳电极的制备及其催化氧还原与氧析出性能的研究
发布时间：2021-03-29 09:05
金属-空气液流电池作为一种大规模储能设备,具有成本低廉的,能量密度高,可靠性好等特点,受到人们广泛关注。然而,正极作为金属-空气液流电池重要组成部分,其上发生的氧还原反应和氧析出反应动力学缓慢,导致电池充放电极化较大,能量转换效率低。因此开发廉价高效的催化剂迫在眉睫。非金属氮掺杂碳材料具有高催化活性,成本低廉等特点,在催化氧还原与氧析出领域有着良好的前景。然而,目前基于非金属氮掺杂碳的空气正极依然存在活性位点密度较低,传质较差,粉末催化剂易从电极上脱落等问题。针对上述难题,本文设计制备了一种具有多级孔结构的氮掺杂碳电极,并系统的研究了其物理化学性质、电催化性能以及在电池中的应用性能,具体研究内容及成果如下:（1）发展了基于“原位电化学聚合+高温煆烧”制备多级结构空气电极的方法。通过控制循环伏安扫描圈数调节聚吡咯的含量,进而调控碳层的组成与结构。研究结果表明:当聚合圈数为75时,所制备的氮掺杂碳电极（CC@NCL-75）具有较丰富的大孔和介孔（126 m2 g-1）,聚合量过低（50圈）或过高（100圈）均导致碳层较致密,介孔和大孔较少（CC@NCL-50:67m2g-1,CC@NCL-...
【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】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１储能装置在电力产业链中效益原理图（３＞??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｅｎｅｒｇｙ?ｓｔｏｒａｇｅ?ｄｅｖｉｃｅ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｐｏｗｅｒ?ｉｎｄｕｓｔｒｙ?ｃｈａｉｎ??
?北京化工大学硕士研宄生学位论文???１．１．１铅酸电池??铅酸电池从１８５９年发明至今，己经有１６０多年的历史，在交通、通讯、军??事及航空等领域，发挥着重要的作用。铅酸电池通常由正、负两块电极以及硫酸??电解质组成。负极由含有海绵状金属铅的栅板组成，正极由含有氧化铅等活性物??质的栅板组成，＆如图１－２所示。铅酸电池放电时，正极的活性物质二氧化铅??（Ｐｂ０２）和负极的活性物质铅（Ｐｂ）分别转换为硫酸铅（ＰｂＳ０４）附着在正、负极??上，充电过程发生逆过程。发生反应的方程式如下：??负极：Ｐｂ?－?２ｅ＿＋?ＳＯ，?＝?ＰｂＳ〇４?（式?１－１）??正极：Ｐｂ〇２＋２ｅ－?＋?Ｓ〇４２－?＋?４Ｈ＋?＝?ＰｂＳ〇４＋２Ｈ２〇?（式?１－２）??总反应：Ｐｂ＋２Ｐｂ〇＋２Ｈ２Ｓ〇４＝２ＰｂＳ〇４＋２Ｈ２０?（式卜３）??ｅ?一??Ｐｂ０２?＾—Ｐｂ??ｐｏｓｉｔｉｖｅ?ｎｅｇａｔｉｖｅ??ｐｌａｔｅ?ｐｌａｔｅ??４?ｖ?＾?＾?ｓｅｐａｒａｔｏｒ??图１－２铅酸电池结构示意图【５］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌｅａｄ－ａｃｉｄ?ｂａｔｔｅｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??由于铅酸电池结构坚固，成本低廉，温度容限较宽以及自身良好的安全性能，??是良好的储能装置。而且铅酸电池防溢性能优秀，运输方便，在独立电力系统中??得到广泛使用。例如在我国，山东曲阜圣阳３５０?ＫＷ光电建筑项目，采用铅酸电??池作为储能装置。在国际上，位于美国得克萨斯州的诺特里斯风能储存示范项??目，使用高级铅酸电池作为储能装置，额定功率达到了?３６?ＭＷ；?２０１２年，??２??
命时间长等特点，还在固定储能和后备电源方面有着广泛的应用，而且相比于??其他电池，即使在高电流密度下，锂离子电池仍能保持高利用率。ｌ１４】???ｕ??°?－？〇?一露?Ｉ??一霧：??—？?－？?〇?．？Ｖ＾ＶＮ＾Ｖ＾．?〇?—？？?—Ｉ?．．．??Ｌｉ?ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ?＾??？■ＵＣ＊?ｏｒｅａｎｉｃ?Ｌｉ?ｉ．？ｃｏｊ??Ｃｏｐｐｅｒ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?Ａｌｕｍｉｎｕｍ??ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ??图１－４锂离子电池示意图—??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌｉｔｈｉｕｍ?ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｙ??在大规模储能应用领域，美国、日本等国家都建有锂离子电池储能设备。２００９??年１１月，美国ＡＥＳ储能公司宣布在智利阿塔卡马沙漠建成１２?ＭＷ洛斯安第斯??锂离子电池系统（图１－５Ａ），用来进行频率调节及能源储备。而日本在宫城县??仙台市建设的仙台变电站锂离子电池试点项目（图卜５Ｂ），其额定功率达到??了?４０ＭＷ。在我国，２０１８年７月１８日，第一个１０万千瓦级储能电站在江苏镇??江正式并网运行，储存的电能相当于一个２０万千瓦中型发电厂一小时的发电量，??能够同时满足１７万居民的用电需求。??虽然每年锂电池储能设备的新增装机总量都遥遥领先，但是锂离子电池用于??大规模储能也存在着先天的劣势。Ｉ１５］第一，成本高。由于锂离子电池需要特殊的??包装和防过充的保护电路，锂离子电池作为储能装置成本相较于其他储能技术过??高。第二，存在安全隐患。伴随着锂离子电池储能设备装机量快速增长，锂电池??储能电站的火灾事故频发
【参考文献】：
期刊论文
[1]Hierarchical sulfur and nitrogen co-doped carbon nanocages as efficient bifunctional oxygen electrocatalysts for rechargeable Zn-air battery[J]. Hao Fan,Yu Wang,Fujie Gao,Longqi Yang,Meng Liu,Xiao Du,Peng Wang,Lijun Yang,Qiang Wu,Xizhang Wang,Zheng Hu. Journal of Energy Chemistry. 2019(07)
[2]Progress in electrical energy storage system:A critical review[J]. Thang Ngoc Cong. Progress in Natural Science. 2009(03)
本文编号：3107308
【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】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１储能装置在电力产业链中效益原理图（３＞??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｅｎｅｒｇｙ?ｓｔｏｒａｇｅ?ｄｅｖｉｃｅ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｐｏｗｅｒ?ｉｎｄｕｓｔｒｙ?ｃｈａｉｎ??
?北京化工大学硕士研宄生学位论文???１．１．１铅酸电池??铅酸电池从１８５９年发明至今，己经有１６０多年的历史，在交通、通讯、军??事及航空等领域，发挥着重要的作用。铅酸电池通常由正、负两块电极以及硫酸??电解质组成。负极由含有海绵状金属铅的栅板组成，正极由含有氧化铅等活性物??质的栅板组成，＆如图１－２所示。铅酸电池放电时，正极的活性物质二氧化铅??（Ｐｂ０２）和负极的活性物质铅（Ｐｂ）分别转换为硫酸铅（ＰｂＳ０４）附着在正、负极??上，充电过程发生逆过程。发生反应的方程式如下：??负极：Ｐｂ?－?２ｅ＿＋?ＳＯ，?＝?ＰｂＳ〇４?（式?１－１）??正极：Ｐｂ〇２＋２ｅ－?＋?Ｓ〇４２－?＋?４Ｈ＋?＝?ＰｂＳ〇４＋２Ｈ２〇?（式?１－２）??总反应：Ｐｂ＋２Ｐｂ〇＋２Ｈ２Ｓ〇４＝２ＰｂＳ〇４＋２Ｈ２０?（式卜３）??ｅ?一??Ｐｂ０２?＾—Ｐｂ??ｐｏｓｉｔｉｖｅ?ｎｅｇａｔｉｖｅ??ｐｌａｔｅ?ｐｌａｔｅ??４?ｖ?＾?＾?ｓｅｐａｒａｔｏｒ??图１－２铅酸电池结构示意图【５］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌｅａｄ－ａｃｉｄ?ｂａｔｔｅｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??由于铅酸电池结构坚固，成本低廉，温度容限较宽以及自身良好的安全性能，??是良好的储能装置。而且铅酸电池防溢性能优秀，运输方便，在独立电力系统中??得到广泛使用。例如在我国，山东曲阜圣阳３５０?ＫＷ光电建筑项目，采用铅酸电??池作为储能装置。在国际上，位于美国得克萨斯州的诺特里斯风能储存示范项??目，使用高级铅酸电池作为储能装置，额定功率达到了?３６?ＭＷ；?２０１２年，??２??
命时间长等特点，还在固定储能和后备电源方面有着广泛的应用，而且相比于??其他电池，即使在高电流密度下，锂离子电池仍能保持高利用率。ｌ１４】???ｕ??°?－？〇?一露?Ｉ??一霧：??—？?－？?〇?．？Ｖ＾ＶＮ＾Ｖ＾．?〇?—？？?—Ｉ?．．．??Ｌｉ?ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ?＾??？■ＵＣ＊?ｏｒｅａｎｉｃ?Ｌｉ?ｉ．？ｃｏｊ??Ｃｏｐｐｅｒ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?Ａｌｕｍｉｎｕｍ??ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ??图１－４锂离子电池示意图—??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌｉｔｈｉｕｍ?ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｙ??在大规模储能应用领域，美国、日本等国家都建有锂离子电池储能设备。２００９??年１１月，美国ＡＥＳ储能公司宣布在智利阿塔卡马沙漠建成１２?ＭＷ洛斯安第斯??锂离子电池系统（图１－５Ａ），用来进行频率调节及能源储备。而日本在宫城县??仙台市建设的仙台变电站锂离子电池试点项目（图卜５Ｂ），其额定功率达到??了?４０ＭＷ。在我国，２０１８年７月１８日，第一个１０万千瓦级储能电站在江苏镇??江正式并网运行，储存的电能相当于一个２０万千瓦中型发电厂一小时的发电量，??能够同时满足１７万居民的用电需求。??虽然每年锂电池储能设备的新增装机总量都遥遥领先，但是锂离子电池用于??大规模储能也存在着先天的劣势。Ｉ１５］第一，成本高。由于锂离子电池需要特殊的??包装和防过充的保护电路，锂离子电池作为储能装置成本相较于其他储能技术过??高。第二，存在安全隐患。伴随着锂离子电池储能设备装机量快速增长，锂电池??储能电站的火灾事故频发
【参考文献】：
期刊论文
[1]Hierarchical sulfur and nitrogen co-doped carbon nanocages as efficient bifunctional oxygen electrocatalysts for rechargeable Zn-air battery[J]. Hao Fan,Yu Wang,Fujie Gao,Longqi Yang,Meng Liu,Xiao Du,Peng Wang,Lijun Yang,Qiang Wu,Xizhang Wang,Zheng Hu. Journal of Energy Chemistry. 2019(07)
[2]Progress in electrical energy storage system:A critical review[J]. Thang Ngoc Cong. Progress in Natural Science. 2009(03)
本文编号：3107308
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