隨著傳統(tǒng)能源的短缺及環(huán)境的污染,我們的社會(huì)已經(jīng)從化石燃料經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向清潔能源經(jīng)濟(jì),都在積極研究關(guān)于可持續(xù)能源的收集、轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存。鋅空氣電池和生物燃料電池相比于傳統(tǒng)意義上的電池,具有原材料來源廣、成本低、能量轉(zhuǎn)化高及綠色環(huán)保等特點(diǎn)。本文主要是以高活性的硼氮雙摻雜中空碳納米球(BNCSs)作為鋅空氣電池中陰極(氣體擴(kuò)散電極)催化劑,制備氣體擴(kuò)散電極并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,繼而組裝成鋅空氣電池進(jìn)行電化學(xué)測試;以高活性的硼氮雙摻雜中空碳納米球(BNCSs)作為酶生物燃料電池陽極酶載體,制備生物陽極并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,繼而組裝成酶生物燃料電池進(jìn)行電化學(xué)測試。主要工作內(nèi)容如下:1.以碳紙作為集流體,氣體擴(kuò)散層由乙炔黑與聚四氟乙烯乳液(PTFE)組成,催化層由活性炭為基底的BNCSs與PTFE乳液所組成。對(duì)集流體進(jìn)行疏水濃度與時(shí)間的優(yōu)化,對(duì)氣體擴(kuò)散層中乙炔黑與PTFE乳液的比例及乙炔黑的負(fù)載量進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)催化層中使用的BNCSs、活性炭與PTFE乳液的比例及BNCSs的負(fù)載量進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果顯示,當(dāng)集流體在10 wt.%的PTFE乳液中疏水處理5 min,氣體擴(kuò)散層中乙炔黑/60 wt.%PTFE乳液的質(zhì)量比為6:4(乙炔黑的碳載量為0.8 mg/cm~2),催化層中活性炭/BNCSs/20wt.%PTFE乳液的質(zhì)量比為2:2:3(BNCSs的碳載量為1.0 mg/cm~2)時(shí),氣體擴(kuò)散電極的電化學(xué)性能最優(yōu)。2.設(shè)計(jì)制作了一種由聚甲基丙烯酸甲酯材料為主體的矩形鋅空氣二次電池器件,它具有密封性能好、方便拆卸和替換電解液與鋅陽極、方便清洗,并且易于觀察內(nèi)部反應(yīng)情況的優(yōu)點(diǎn)。比較了硼摻雜中空碳納米球(BHCSs)、氮摻雜中空碳納米球(NHCSs)、硼氮雙摻雜中空碳納米球(BNCSs)及商業(yè)Pt/C組裝的鋅空氣電池性能的大小。并使用BNCSs這種雙功能電催化劑,在空氣中制造鋅空氣一次電池和二次電池的氣體擴(kuò)散電極進(jìn)行電池性能測試。以BNCSs為基礎(chǔ)的一次鋅空氣電池展現(xiàn)了1.421 V的開路電位,比容量為670 mAh/g_(Zn)(5 mA/cm~2的電流密度下)和最大功率密度為96 mW/cm~2。二次鋅空氣電池可在10 mA/cm~2的電流密度下循環(huán)350次,依舊保持優(yōu)異的穩(wěn)定性能。結(jié)果表明,廉價(jià)的BNCSs非常適用于此鋅空氣電池能量轉(zhuǎn)換裝置。3.利用制備的BNCSs為載體,通過簡單的物理吸附作用來固定葡萄糖氧化酶(GOD),以此制備酶生物燃料電池陽極GOD/BNCSs/GC。繼而對(duì)BNCSs載量、GOD載量和葡萄糖濃度進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)BNCSs的濃度為0.5 mg/mL,GOD的濃度為5 mg/mL及葡萄糖濃度為3 mM時(shí)電流密度達(dá)到最大值。將電極在4℃下放置七天后,其電催化活性幾乎沒有變化,表明制備的GOD/BNCSs/GC生物陽極具有良好的穩(wěn)定性。并構(gòu)建了以GOD/BNCSs/GC為陽極,氣體擴(kuò)散電極為陰極的葡萄糖/O_2電池,其開路電壓和短路電流為0.68 V和0.63 mA/cm~2,在0.22 V時(shí)得到最大功率密度52.5μW/cm~2。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1;TM911.4
【部分圖文】：

鋅空氣電池的問世標(biāo)志著鋅空氣電池的真正商品化，主要應(yīng)用在助聽器面。而我國從二十世紀(jì)六十年代起在傳統(tǒng)的鋅/貴金屬電池和氣體燃料電池研究鋅空氣電池，并研制出了圓筒形的一次鋅空氣電池。來，鋅空氣電池的應(yīng)用領(lǐng)域從小功率設(shè)備趨向于大功率儀器設(shè)備。1995 年料（Electric Fuel）有限公司首次將鋅空氣電池應(yīng)用在蓄電池車（Electric ve比能量高達(dá) 207 Wh/kg，最高時(shí)速達(dá) 120 km/h，由靜止加速到 80 km/h 僅好的動(dòng)力性能，自此鋅空氣電池進(jìn)入電動(dòng)車實(shí)用化階段。美國 Dreitive 公司開發(fā)的鋅空氣電池已經(jīng)在公共汽車上使用，可連續(xù)行駛 10 小時(shí)海世博會(huì)上，博信電池公司研發(fā)的鋅空氣電池園內(nèi)觀覽車，引起了業(yè)內(nèi)人。隨著社會(huì)的發(fā)展，能源消耗的加劇，鋅空氣燃料電池的研究與應(yīng)用將進(jìn)巨大的市場潛力，其在價(jià)格、性能、安全性及快速加油等方面能夠與常鋅空氣電池的商業(yè)成功應(yīng)以交通運(yùn)輸系統(tǒng)為依托，如圖 1-1 所示[11]，建開發(fā)三個(gè)基本的要素：鋅空氣電動(dòng)車，公共加油站和再生設(shè)施。太陽能集中器

圖 1-2 鋅空氣二次電池充放電原理圖[12]以得到鋅空氣電池的理論電壓值為 1.65 V，但在實(shí)際的很難達(dá)到理論電壓值，因此鋅空氣電池的開路電壓一般2]，二次鋅空氣電池包括放電和充電兩個(gè)過程，充電時(shí)鋅鋅固體沉積在電極表面，氣體擴(kuò)散電極則作為陽極發(fā)生生的反應(yīng)正好與放電時(shí)相反[13-15]。的特點(diǎn)為一種新型的能源電池，既具有蓄電池的特點(diǎn)又具有、鋅錳蓄電池一樣，它的正極活性物質(zhì)儲(chǔ)蓄在電池體的活性物質(zhì)是來自于空氣中的氧氣，具有無窮的容量，和池具有的優(yōu)點(diǎn)具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：：鋅空氣電池和其他的空氣電池一樣，其正極活性物質(zhì)

圖 1-3 不同類型電池容量對(duì)比圖[6]性能穩(wěn)定：在電池的恒流放電過程中，對(duì)正極活性物質(zhì)的影幾乎沒有變化，所以在長時(shí)間的放電過程中，電壓可以保持溫度范圍廣：鋅空氣電池可在較大的范圍-40~60 ℃下工作，料豐富：鋅空氣電池中的陽極鋅價(jià)格低廉，來源廣，制造成氣陰極所需的氧氣來自于大氣，取之不盡用之不竭。安全：電池氣體擴(kuò)散電極的活性物質(zhì)為氧氣，陽極鋅被氧化境不會(huì)造成污染，電解液性質(zhì)穩(wěn)定且不可燃；整個(gè)電池體系屬，屬于環(huán)境友好型。期長：儲(chǔ)存期間會(huì)將電池密封，氣體擴(kuò)散電極與外界空氣隔長期儲(chǔ)存。
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本文編號(hào)：2859316