金属-空气电池的非贵金属氧还原催化剂制备及仿生空气阴极开发
发布时间：2021-02-15 23:44
金属-空气电池因其高理论能量密度、便携性、响应速度快、转换效率高等优点被视为未来新能源汽车、可穿戴电子设备、智能设备的供电装置。而空气阴极的性能瓶颈是限制金属-空气电池广泛应用的重要原因之一。该性能瓶颈主要源于空气阴极的催化剂材料所导致的反应位点少、催化性能低、稳定性低的问题以及空气阴极结构缺陷导致的传质效率低等因素。现今,商用Pt/C催化剂是常用于金属-空气阴极的氧还原催化剂。虽然Pt/C催化剂具有高的氧还原反应催化活性,但该催化剂稳定性较差且贵金属铂的引入也带来了制备成本高的问题。另外,为了将粉末状的氧还原催化剂涂覆于空气阴极表面上,制备过程中常用到高分子粘结剂,增强了结合强度,却产生了部分孔道堵塞或覆盖活性位点等问题。鉴于此,在降低成本的同时提高空气阴极的催化活性、增多活性位点及加强传质效率等课题一直备受科研工作者们的关注。本文以提高空气阴极性能作为研究重点,介绍了基于生物质制备非贵金属氧还原催化剂的制备方法和化学气象沉积法制备自支撑氧还原催化层的方法,同时对仿生多通道阴极的制备进行了探索性研究,本文的主要研究内容如下:开发了一种成本低、可大规模生产、具有三维多级孔道结构的生物质...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属-空气电池工作原理示意图
吉林大学硕士学位论文4因此，如图1.2所示，氧还原反应的单位面积反应位点相较于一般的催化反应要少。其次，在气-液-固三相界面发生反应的特性要求空气阴极具有多孔结构来提供更多的反应位点并提高气体传质效率，满足反应过程中氧气的供应。同时，空气阴极还需要做到防止电解液溢流和气化等现象。最后，要有高效的氧还原催化活性和许多活位点来满足氧还原反应的快速发生。因此，空气阴极需要同时满足气体传质效率高、比表面积大、不漏液、反应位点多、导电性好、稳定性高等特性，使制备空气阴极具有不小的难度。图1.2a)一般催化反应的反应位点；b)氧还原反应发生在气-液-固三相界面1.2.2金属-空气电池目前存在的问题金属-空气电池有高理论能量密度的优势，但是实际能量密度仅达到理论能量密度的十分之一[26]。这是由于空气阴极的性能瓶颈导致的能源转换效率低所导致，且昂贵的制备成本限制了金属-空气电池的广泛应用。昂贵的制备成本主要归因于铂基氧还原催化剂中稀有金属的使用，而引起性能瓶颈的原因主要有三点，a.空气阴极扩散层的气体传质效率低，导致空气中的氧气无法得到有效利用；b.空气阴极中所用到的氧还原催化剂活性低、稳定性低；c.制备过程中所用到的高分子粘结剂会覆盖催化剂的活性位点，应用于柔性电池时部分催化剂会脱落使得电池性能降低。除上述问题之外，金属-空气电池还具有电阻极化、氧还原催化剂的活性低导
第1章绪论7金属-空气电池的性能主要受限于空气阴极处缓慢发生的氧还原反应。氧还原反应过程具有较高的过电位和缓慢的反应动力学过程，限制了电池的放电性能。有鉴于此，金属-空气电池制备过程中会引入氧还原催化剂降低氧还原反应的活化能垒，从而降低过电位并加快氧还原反应的发生。作为金属-空气电池的氧还原催化剂，需具备以“直接4电子途径”为主的选择催化性能、具有较多的反应位点及优异的稳定性，以保证金属-空气电池的高工作电压、高功率及长期工作的要求。然而，大多数电化学催化剂尚不能满足上述的要求，导致金属-空气电池的实际能量密度只能达到理论能量密度的40-50%，远不及理论能量密度[34]。1.4.2铂基催化剂研究发现，以铂（Pt）为主的贵金属因具有适宜的表面电子结构，理想的氧结合能，对于氧还原反应有非常高的催化活性[35]。然而铂金属粒子直接作为氧还原反应催化剂使用时易发生Ostwald熟化和粒子的团聚，使铂的单位活性表面积减少，降低催化性能。因此制备铂基催化剂时通常将铂粒子负载在具有高比表面积、高导电率、化学稳定性高的碳材料制成铂碳催化剂。常规的铂碳催化剂是通过化学还原铂的前驱体使铂纳米粒子生长在碳黑表面的方式进行制备[36,37]。值得注意的是，根据氧气结合能与氧还原活性关系图（图1.3）可知，虽然氧结合能为1.57eV的铂在单体金属内具有最高的催化活性，但是氧还原催化活性仍然有可提高的空间存在[35]。图1.3氧气结合能与氧还原活性关系图[35]
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型太阳能热机的设计与实验研究[J]. 王璐,苑中显,杜春旭. 工程热物理学报. 2019(10)
[2]电化学储能应用现状及对策研究[J]. 舒彤,何斌. 中国电力企业管理. 2019(19)
[3]电化学储能技术分析[J]. 李辰. 电子元器件与信息技术. 2019(06)
[4]浅谈中国潮汐能发电及其发展前景[J]. 张浩东. 能源与节能. 2019(05)
[5]能源革命中的电化学储能技术[J]. 李先锋,张洪章,郑琼,阎景旺,郭玉国,胡勇胜. 中国科学院院刊. 2019(04)
[6]新型电化学储能技术的研究及应用[J]. 罗永强. 电信工程技术与标准化. 2019(04)
[7]美国干热岩“地热能前沿瞭望台研究计划”与中美典型EGS场地勘查现状对比[J]. 张森琦,文冬光,许天福,付雷,贾小丰,孙晟,翁炜,张杨,杨涛,Joseph MOORE,蒋恕,Rick ALLIS,John MCLENNAN. 地学前缘. 2019(02)
[8]地热能的研究综述[J]. 齐晶晶,席静,王静,梁斌. 山东化工. 2019(03)
[9]低铂燃料电池氧还原催化剂的制备技术研究进展[J]. 南皓雄,党岱,田新龙. 化工进展. 2018(11)
[10]起底电动车起火频发[J]. 刘晓林. 中国中小企业. 2018(11)
硕士论文
[1]高效燃料电池Fe-N-C氧还原催化剂制备及性能研究[D]. 宁梦瑶.北京化工大学 2019
[2]Fe-Nx/C型非贵金属氧还原催化剂的制备及性能研究[D]. 楚亚.聊城大学 2019
[3]燃料电池低铂/非铂阴极催化剂的制备及其电催化活性探究[D]. 王艺.华南理工大学 2019
[4]燃料电池用非贵金属氧还原催化剂Fe（Co）-N/C的研究[D]. 黎燕荣.重庆理工大学 2019
[5]基于金属有机骨架化合物结构的过渡金属—氮—碳氧还原催化剂的制备及性能研究[D]. 胡朝文.北京化工大学 2017
[6]车载锂电池正弦波充电与电池管理技术研究[D]. 顾东杰.南京航空航天大学 2017
[7]锂电池火灾爆炸原因分析与控制措施研究[D]. 吕浩天.华南理工大学 2016
[8]氮掺杂碳纳米管/碳复合材料的制备及其电催化氧还原性能研究[D]. 罗岚.湘潭大学 2016
本文编号：3035746
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属-空气电池工作原理示意图
吉林大学硕士学位论文4因此，如图1.2所示，氧还原反应的单位面积反应位点相较于一般的催化反应要少。其次，在气-液-固三相界面发生反应的特性要求空气阴极具有多孔结构来提供更多的反应位点并提高气体传质效率，满足反应过程中氧气的供应。同时，空气阴极还需要做到防止电解液溢流和气化等现象。最后，要有高效的氧还原催化活性和许多活位点来满足氧还原反应的快速发生。因此，空气阴极需要同时满足气体传质效率高、比表面积大、不漏液、反应位点多、导电性好、稳定性高等特性，使制备空气阴极具有不小的难度。图1.2a)一般催化反应的反应位点；b)氧还原反应发生在气-液-固三相界面1.2.2金属-空气电池目前存在的问题金属-空气电池有高理论能量密度的优势，但是实际能量密度仅达到理论能量密度的十分之一[26]。这是由于空气阴极的性能瓶颈导致的能源转换效率低所导致，且昂贵的制备成本限制了金属-空气电池的广泛应用。昂贵的制备成本主要归因于铂基氧还原催化剂中稀有金属的使用，而引起性能瓶颈的原因主要有三点，a.空气阴极扩散层的气体传质效率低，导致空气中的氧气无法得到有效利用；b.空气阴极中所用到的氧还原催化剂活性低、稳定性低；c.制备过程中所用到的高分子粘结剂会覆盖催化剂的活性位点，应用于柔性电池时部分催化剂会脱落使得电池性能降低。除上述问题之外，金属-空气电池还具有电阻极化、氧还原催化剂的活性低导
第1章绪论7金属-空气电池的性能主要受限于空气阴极处缓慢发生的氧还原反应。氧还原反应过程具有较高的过电位和缓慢的反应动力学过程，限制了电池的放电性能。有鉴于此，金属-空气电池制备过程中会引入氧还原催化剂降低氧还原反应的活化能垒，从而降低过电位并加快氧还原反应的发生。作为金属-空气电池的氧还原催化剂，需具备以“直接4电子途径”为主的选择催化性能、具有较多的反应位点及优异的稳定性，以保证金属-空气电池的高工作电压、高功率及长期工作的要求。然而，大多数电化学催化剂尚不能满足上述的要求，导致金属-空气电池的实际能量密度只能达到理论能量密度的40-50%，远不及理论能量密度[34]。1.4.2铂基催化剂研究发现，以铂（Pt）为主的贵金属因具有适宜的表面电子结构，理想的氧结合能，对于氧还原反应有非常高的催化活性[35]。然而铂金属粒子直接作为氧还原反应催化剂使用时易发生Ostwald熟化和粒子的团聚，使铂的单位活性表面积减少，降低催化性能。因此制备铂基催化剂时通常将铂粒子负载在具有高比表面积、高导电率、化学稳定性高的碳材料制成铂碳催化剂。常规的铂碳催化剂是通过化学还原铂的前驱体使铂纳米粒子生长在碳黑表面的方式进行制备[36,37]。值得注意的是，根据氧气结合能与氧还原活性关系图（图1.3）可知，虽然氧结合能为1.57eV的铂在单体金属内具有最高的催化活性，但是氧还原催化活性仍然有可提高的空间存在[35]。图1.3氧气结合能与氧还原活性关系图[35]
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型太阳能热机的设计与实验研究[J]. 王璐,苑中显,杜春旭. 工程热物理学报. 2019(10)
[2]电化学储能应用现状及对策研究[J]. 舒彤,何斌. 中国电力企业管理. 2019(19)
[3]电化学储能技术分析[J]. 李辰. 电子元器件与信息技术. 2019(06)
[4]浅谈中国潮汐能发电及其发展前景[J]. 张浩东. 能源与节能. 2019(05)
[5]能源革命中的电化学储能技术[J]. 李先锋,张洪章,郑琼,阎景旺,郭玉国,胡勇胜. 中国科学院院刊. 2019(04)
[6]新型电化学储能技术的研究及应用[J]. 罗永强. 电信工程技术与标准化. 2019(04)
[7]美国干热岩“地热能前沿瞭望台研究计划”与中美典型EGS场地勘查现状对比[J]. 张森琦,文冬光,许天福,付雷,贾小丰,孙晟,翁炜,张杨,杨涛,Joseph MOORE,蒋恕,Rick ALLIS,John MCLENNAN. 地学前缘. 2019(02)
[8]地热能的研究综述[J]. 齐晶晶,席静,王静,梁斌. 山东化工. 2019(03)
[9]低铂燃料电池氧还原催化剂的制备技术研究进展[J]. 南皓雄,党岱,田新龙. 化工进展. 2018(11)
[10]起底电动车起火频发[J]. 刘晓林. 中国中小企业. 2018(11)
硕士论文
[1]高效燃料电池Fe-N-C氧还原催化剂制备及性能研究[D]. 宁梦瑶.北京化工大学 2019
[2]Fe-Nx/C型非贵金属氧还原催化剂的制备及性能研究[D]. 楚亚.聊城大学 2019
[3]燃料电池低铂/非铂阴极催化剂的制备及其电催化活性探究[D]. 王艺.华南理工大学 2019
[4]燃料电池用非贵金属氧还原催化剂Fe（Co）-N/C的研究[D]. 黎燕荣.重庆理工大学 2019
[5]基于金属有机骨架化合物结构的过渡金属—氮—碳氧还原催化剂的制备及性能研究[D]. 胡朝文.北京化工大学 2017
[6]车载锂电池正弦波充电与电池管理技术研究[D]. 顾东杰.南京航空航天大学 2017
[7]锂电池火灾爆炸原因分析与控制措施研究[D]. 吕浩天.华南理工大学 2016
[8]氮掺杂碳纳米管/碳复合材料的制备及其电催化氧还原性能研究[D]. 罗岚.湘潭大学 2016
本文编号：3035746
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