雙鈣鈦礦型GdBaCo 2 O 5+δ 氧電極的電催化性能研究
發(fā)布時間：2021-09-01 12:16
隨著當今的社會的快速發(fā)展,對于能源的需求大大增加。這就需要我們尋求清潔、高效和可持續(xù)的電化學能源儲存和轉換設備,來滿足社會的可持續(xù)增長。例如金屬空氣電池,燃料電池以及電解池等裝置。但是,主導這些裝置的氧還原反應（ORR）以及氧析出反應（OER）的電化學動力學過程比較緩慢,限制了這類能源裝置的發(fā)展。這使得開發(fā)有效的雙功能催化劑成為這些電化學能源存儲和轉換技術的主要目標。近年來,雙鈣鈦礦體系材料由于其性能優(yōu)異、成本價格低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,收到了廣泛關注。本文是在雙鈣鈦礦材料GdBaCo2O5+δ（GBCO）的基礎上,以淬火和Sr摻雜方式對其進行優(yōu)化處理,從而提高GBCO氧電極的雙功能催化性能和催化穩(wěn)定性。本文使用固相法合成GBCO材料,并對其進行700℃、800℃和900℃的淬火處理,得到GBCO700、GBCO800和GBCO900。使用旋轉圓盤電極（RDE）和電化學工作站對GBCO及淬火材料進行ORR和OER催化性能及穩(wěn)定性等測試,并將GBCO和淬火材料應用于固體氧化物燃料電池（SOFC）的氧電極進行阻抗譜、極化曲線和穩(wěn)定性的測試。此外,還...
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
LnBaCo2O5+δ雙鈣鈦礦的結構示意圖[34]
哈爾濱工業(yè)大學理學碩士學位論文8絕緣材料(Teflon或聚醚醚酮)的內部[37]，如圖1-2所示。使用旋轉圓盤電極系統進行的測試通常是在電解池中進行的。使用旋轉圓盤電極測試與其他類型的三電極測試體系沒有實質性區(qū)別，不同之處在于，使用旋轉圓盤電極可以設置不同的旋轉速率，可以分析電流對旋轉速率的依賴性。為了提高測試的準確性，必須保持旋轉平面的水平狀態(tài)，并保證足夠大的空間，以便自然對流剖面保持不受干擾，沒有湍流或渦旋發(fā)生。同時，避免溶液在絕緣罩和電極材料之間泄漏也很重要[39]。圖1-2旋轉圓盤電極的側面和平面示意圖旋轉圓盤電極表面的化學反應涉及到氧的轉移、質子的轉移以及有機化合物的氧化和還原等多種反應[40]。Levich公式是理解旋轉圓盤電極反應機理的重點，根據Levich公式[40,41,42]：Ik=0.62nFAD2/3ν-1/6ω1/2c(n是反應中轉移的電子數，F法拉第常數，A是電極的表面積，ν是溶液的運動粘度，c是物質濃度，ω為旋轉的角頻率)，可見極限電流與轉速的平方根成正比。如果已知電極表面積A和轉移電子數n以及反應物質的總濃度c和電解質溶液的運動粘度ν，則可以通過測量極限電流來確定反應物質的擴散系數D。因此，為了能夠利用Levich方程來確定擴散系數，就需要明確極限電流與轉速之間的關系。1.5固體氧化物燃料電池(SOFC)簡介燃料電池將燃料氣體的化學能直接轉化為電能，并且不需要燃燒，是一種高效且清潔的裝置。與其他類型的燃料電池相比，固體氧化物燃料電池(SOFC)具有幾個明顯的特點：(1)與其他類型的燃料電池相比，SOFC的電流密度和功率密度相對較高；(2)電解質電阻率通常可以忽略不計，在大多數情況下，電池性能的損耗主要來自于陰極；(3)氫氣、甲烷和酒精均可直接用作燃料，而無需貴金屬作為催化劑；(4)SOFC是以
哈爾濱工業(yè)大學理學碩士學位論文9研究。1.5.1SOFC的工作原理SOFC的主要是通過將電解質與兩個不同的電極(陽極和陰極)結合在一起組成的。多孔電極以三明治形式將固體電解質夾在中間，如圖1-3[44]所示。在陰極側通過氧還原過程產生O2-，然后，氧離子通過固體電解質轉移到陽極，實現燃料的氧化過程，產生電子。最后，電子流過外部導線，從而產生電能[45]。圖1-3固體氧化物燃料電池(SOFC)工作原理示意圖[44]首先，燃料在陽極側發(fā)生氧化反應。通過燃料的燃燒，使得在電解質的一側，氧氣的濃度大大降低，濃度差使得氧離子可以脫離電解質到達陽極側，與被氧化的燃料反應，并釋放出電子(e-)。此時電解質中會產生一個O2濃度梯度和大量的氧空位，該O2濃度梯度使得O2通過氧空位，從空氣側(或陰極)轉移到燃料側(或陽極)。如果在陰極和陽極之間存在電路連接，這導致電子可以從陽極流向陰極，持續(xù)供應電解質中的O2-，使得O2-源源不斷的從陰極流向陽極，保持總體的電荷平衡，并且將燃料燃燒產生的化學能轉化為電能[46]。具體反應化學方程式如下：陽極：燃料為H2：O2-+H2→H2O+OV+2e-(1-22)燃料為CO：O2-+CO→CO2+OV+2e-(1-23)陰極：O2+4e-+2OV→2OO(1-24)總反應：燃料為H2：O2+2H2→2H2O(1-25)燃料為CO：O2+2CO→2CO2(1-26)其中，OV是氧空位，OO表示陰極或電解質中的晶格氧。
【參考文獻】：
碩士論文
[1]氧含量對層狀鈷氧化物LnBaCo2O5+δ（Ln=Nd,Gd）電磁學性質的影響[D]. 王世洪.哈爾濱工業(yè)大學 2015
本文編號：3376963
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
LnBaCo2O5+δ雙鈣鈦礦的結構示意圖[34]
哈爾濱工業(yè)大學理學碩士學位論文8絕緣材料(Teflon或聚醚醚酮)的內部[37]，如圖1-2所示。使用旋轉圓盤電極系統進行的測試通常是在電解池中進行的。使用旋轉圓盤電極測試與其他類型的三電極測試體系沒有實質性區(qū)別，不同之處在于，使用旋轉圓盤電極可以設置不同的旋轉速率，可以分析電流對旋轉速率的依賴性。為了提高測試的準確性，必須保持旋轉平面的水平狀態(tài)，并保證足夠大的空間，以便自然對流剖面保持不受干擾，沒有湍流或渦旋發(fā)生。同時，避免溶液在絕緣罩和電極材料之間泄漏也很重要[39]。圖1-2旋轉圓盤電極的側面和平面示意圖旋轉圓盤電極表面的化學反應涉及到氧的轉移、質子的轉移以及有機化合物的氧化和還原等多種反應[40]。Levich公式是理解旋轉圓盤電極反應機理的重點，根據Levich公式[40,41,42]：Ik=0.62nFAD2/3ν-1/6ω1/2c(n是反應中轉移的電子數，F法拉第常數，A是電極的表面積，ν是溶液的運動粘度，c是物質濃度，ω為旋轉的角頻率)，可見極限電流與轉速的平方根成正比。如果已知電極表面積A和轉移電子數n以及反應物質的總濃度c和電解質溶液的運動粘度ν，則可以通過測量極限電流來確定反應物質的擴散系數D。因此，為了能夠利用Levich方程來確定擴散系數，就需要明確極限電流與轉速之間的關系。1.5固體氧化物燃料電池(SOFC)簡介燃料電池將燃料氣體的化學能直接轉化為電能，并且不需要燃燒，是一種高效且清潔的裝置。與其他類型的燃料電池相比，固體氧化物燃料電池(SOFC)具有幾個明顯的特點：(1)與其他類型的燃料電池相比，SOFC的電流密度和功率密度相對較高；(2)電解質電阻率通常可以忽略不計，在大多數情況下，電池性能的損耗主要來自于陰極；(3)氫氣、甲烷和酒精均可直接用作燃料，而無需貴金屬作為催化劑；(4)SOFC是以
哈爾濱工業(yè)大學理學碩士學位論文9研究。1.5.1SOFC的工作原理SOFC的主要是通過將電解質與兩個不同的電極(陽極和陰極)結合在一起組成的。多孔電極以三明治形式將固體電解質夾在中間，如圖1-3[44]所示。在陰極側通過氧還原過程產生O2-，然后，氧離子通過固體電解質轉移到陽極，實現燃料的氧化過程，產生電子。最后，電子流過外部導線，從而產生電能[45]。圖1-3固體氧化物燃料電池(SOFC)工作原理示意圖[44]首先，燃料在陽極側發(fā)生氧化反應。通過燃料的燃燒，使得在電解質的一側，氧氣的濃度大大降低，濃度差使得氧離子可以脫離電解質到達陽極側，與被氧化的燃料反應，并釋放出電子(e-)。此時電解質中會產生一個O2濃度梯度和大量的氧空位，該O2濃度梯度使得O2通過氧空位，從空氣側(或陰極)轉移到燃料側(或陽極)。如果在陰極和陽極之間存在電路連接，這導致電子可以從陽極流向陰極，持續(xù)供應電解質中的O2-，使得O2-源源不斷的從陰極流向陽極，保持總體的電荷平衡，并且將燃料燃燒產生的化學能轉化為電能[46]。具體反應化學方程式如下：陽極：燃料為H2：O2-+H2→H2O+OV+2e-(1-22)燃料為CO：O2-+CO→CO2+OV+2e-(1-23)陰極：O2+4e-+2OV→2OO(1-24)總反應：燃料為H2：O2+2H2→2H2O(1-25)燃料為CO：O2+2CO→2CO2(1-26)其中，OV是氧空位，OO表示陰極或電解質中的晶格氧。
【參考文獻】：
碩士論文
[1]氧含量對層狀鈷氧化物LnBaCo2O5+δ（Ln=Nd,Gd）電磁學性質的影響[D]. 王世洪.哈爾濱工業(yè)大學 2015
本文編號：3376963
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