本文關(guān)鍵詞：導(dǎo)電碳紙基底上氮摻雜碳納米管陣列的制備及其在鋰空氣電池中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鋰空氣電池因具有(11140 Wh kg-1,不包括氧氣)較高的理論能量密度而備受關(guān)注。目前,對鋰空氣電池的研究還停留在實驗室階段,其主要原因是因為鋰空氣電池的實際比能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值、循環(huán)性能不夠理想。影響鋰空氣電池性能的因素有很多,其中陰極材料作為反應(yīng)的場所及催化劑的載體,承擔(dān)了電池大部分的過電位,對電池的性能的限制至關(guān)重要。當(dāng)前,對鋰空氣電池陰極材料的研究主要集中于碳材料,其中摻氮碳納米管(N-CNTs)具有平行孔結(jié)構(gòu)、對氧化還原催化活性和穩(wěn)定性高等優(yōu)勢,可有效解決鋰空氣電池存在的能量密度低、循環(huán)性能不足等問題。然而,目前成功制備序列性較好的氮摻雜碳納米管陣列(N-CNTAs),基底為石英片或金屬板,限制了其在空氣電極中的應(yīng)用。所以本課題將導(dǎo)電碳紙的一側(cè)預(yù)處理后作為基底,利用化學(xué)氣相沉積法制備出N-CNTAs,采用SEM、TEM、XRD、FT-IR等方法表征其形貌結(jié)構(gòu),CV、EIS、恒流充放電等方法表征電池的性能,并考察了不同碳氮摩爾比和不同氮源的N-CNTAs作陰極材料時對鋰空氣電池性能的影響,得到如下結(jié)果:1.不同氮含量的N-CNTAs/carbon paper的制備及表征結(jié)果采用化學(xué)氣相沉積法,以乙二胺為氮源,二甲苯為碳源,二茂鐵為催化劑,在預(yù)處理過的碳紙一側(cè)制備出高度定向且石墨化程度較高的N-CNTAs,管壁平滑,管徑均勻,其中,碳氮原子摩爾比為20:1的時候,材料的晶型最好,吡啶氮的比例最高,催化活性最高,相應(yīng)的鋰空氣電池性能最好。2.不同氮源的N-CNTAs/carbon paper的制備及表征結(jié)果采用不同氮源(a-氮氮二甲基甲酰胺、b-二乙胺、c-三乙胺、d-乙二胺、e-吡啶、f-乙腈),同一碳氮原子摩爾比(20:1)制備出N-CNTAs。通過考察N-CNTAs的晶型以及電池的性能得到以下結(jié)果:(1)XRD結(jié)果表明,六種不同氮源制備的N-CNTAs/carbon paper石墨化程度均比較高,石墨化程度大小順序為:afbdec。(2)FT-IR結(jié)果表明,氮源不同材料中吡啶氮的比例不同,吡啶氮的比例在六種不同空氣陰極中的大小順序是:dcefab。(3)充放電測試及阻抗、循環(huán)伏安測試結(jié)果表明,三乙胺作氮源時材料的催化活性最好,其次是乙二胺和吡啶,DMF、二乙胺和乙腈的效果較差,以上結(jié)論與紅外結(jié)果基本一致。綜合說明材料的催化活性與晶型關(guān)系不大,主要和吡啶氮的比例有關(guān),吡啶氮的比例越大其催化活性越高。
【關(guān)鍵詞】：摻氮碳納米管陣列 空氣電極 制備 鋰空氣電池 電化學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.1;TM911.41
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 鋰空氣電池的研究背景11-25
• 1.1 當(dāng)前能源形勢11-12
• 1.1.1 國際能源形勢11
• 1.1.2 國內(nèi)能源形勢11-12
• 1.2 潔凈能源發(fā)展簡介12-13
• 1.3 鋰空氣電池研究簡介13-15
• 1.3.1 鋰空氣電池的工作原理13-14
• 1.3.2 鋰空氣電池的結(jié)構(gòu)及功能14-15
• 1.3.3 鋰空氣電池的應(yīng)用前景15
• 1.4 鋰空氣電池的研究現(xiàn)狀15-19
• 1.4.1 鋰空氣電池陰極材料的研究現(xiàn)狀15
• 1.4.2 各類炭黑作為陰極材料的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.4.3 介孔碳作為陰極材料的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.4.4 石墨烯作為陰極材料的研究現(xiàn)狀17
• 1.4.5 氮摻雜碳納米管作為陰極材料的研究現(xiàn)狀17-19
• 1.5 鋰-空氣電池催化劑對電池性能的影響19-21
• 1.5.1 金屬氧化物作為催化劑的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.5.2 貴金屬作為催化劑的研究現(xiàn)狀20-21
• 1.6 電解液對電池性能的影響21
• 1.7 鋰空氣電池存在的問題21-22
• 1.8 氮摻雜碳納米管陣列的優(yōu)勢及制備方法22-23
• 1.9 本文的研究思路及研究內(nèi)容23-25
• 第二章 實驗部分25-31
• 2.1 實驗藥品25-26
• 2.2 實驗儀器26
• 2.3 實驗26-28
• 2.3.1 炭黑的氧化26-27
• 2.3.2 碳紙的清洗及懸浮液的配制27
• 2.3.3 碳片的涂抹27
• 2.3.4 碳片的氧化27
• 2.3.5 催化劑前驅(qū)體溶液的配制27
• 2.3.6 不同氮摻雜量的碳納米管陣列的制備27-28
• 2.3.7 鋰空氣電池的組裝28
• 2.4 氮摻雜碳納米管陣列的物理表征28-29
• 2.4.1 傅里葉紅外表征28
• 2.4.2 X射線衍射表征表征28
• 2.4.3 掃描電鏡表征28-29
• 2.4.4 透射電鏡表征29
• 2.5 氮摻雜碳納米管陣列的電化學(xué)表征29-31
• 2.5.1 循環(huán)伏安測試29
• 2.5.2 阻抗測試29
• 2.5.3 電池充放電測試29-31
• 第三章 同種氮源氮摻雜碳納米管陣列的制備及其在鋰空氣電池中的應(yīng)用31-45
• 3.1 引言31-32
• 3.2 實驗過程32-33
• 3.2.1 CNTAS和N-CNTAS的制備32
• 3.2.2 電池的組裝32-33
• 3.3 N-CNTAS以及組裝電池的結(jié)構(gòu)33
• 3.4 結(jié)果及討論33-42
• 3.4.1 XRD測試結(jié)果及討論33-34
• 3.4.2 SEM、TEM測試結(jié)果及討論34-35
• 3.4.3 紅外測試結(jié)果及討論35-36
• 3.4.4 電池充放電測試結(jié)果及討論36-37
• 3.4.5 充放電前阻抗測試結(jié)果及討論37-39
• 3.4.6 充放電前循環(huán)伏安測試結(jié)果及討論39-40
• 3.4.7 充放電后阻抗測試結(jié)果及討論40-41
• 3.4.8 充放電后循環(huán)伏安測試結(jié)果及討論41-42
• 3.5 總結(jié)42-43
• 3.6 課題的創(chuàng)新性43-45
• 第四章 不同氮源對鋰空氣電池性能的影響45-59
• 4.1 前言45-46
• 4.2 實驗過程46-47
• 4.3 結(jié)果與討論47-58
• 4.3.1 FTIR測試結(jié)果及討論47-48
• 4.3.2 SEM測試結(jié)果及討論48
• 4.3.3 TEM測試結(jié)果及討論48-49
• 4.3.4 XRD測試結(jié)果及討論49-50
• 4.3.5 電池充放電測試結(jié)果及討論50-56
• 4.3.6 CV測試結(jié)果及討論56-57
• 4.3.7 EIS測試結(jié)果及討論57-58
• 4.4 本章小結(jié)58-59
• 第五章 總結(jié)與展望59-61
• 5.1 總結(jié)59-60
• 5.2 展望60-61
• 參考文獻(xiàn)61-69
• 致謝69-71
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文71

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1 魏飛;張強(qiáng);騫偉中;徐光輝;項榮;溫倩;王W，

本文編號：421624