本文關(guān)鍵詞：鋅—空氣電池納米復(fù)合電極的制備及性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：面對日益緊張的能源危機，開發(fā)新能源材料并完善其配套的上游原料制備產(chǎn)業(yè)、下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已成為各國學(xué)者乃至于政府高層的共識。隨著氫氣、氧氣制備技術(shù)的成熟以及新能源汽車在民用領(lǐng)域的發(fā)展，金屬-空氣電池以其優(yōu)異的比能量及安全性展現(xiàn)了其良好的應(yīng)用前景。其中，鋅因其儲量豐富、成本低廉、比容量高等優(yōu)點，受到研究人員的廣泛關(guān)注。但是鋅-空氣電池所使用的鋅陽極嚴(yán)重的枝晶現(xiàn)象和貴金屬催化劑昂貴的價格等問題限制了其發(fā)展。 本文針對上述問題，分別研究了碳納米管復(fù)合鋅陽極和MnOx/AgNPs-CNTs復(fù)合空氣電極的制備方法及其性能，通過XRD、FTIR、TG等方法研究了復(fù)合電極的結(jié)構(gòu)變化、采用SEM研究了復(fù)合電極的形貌變化，并分別借助測量接觸角、循環(huán)伏安法和Tafel曲線研究了復(fù)合電極的表面潤濕行為、電催化特性和耐腐蝕性。 （1）使用碳納米管部分或完全替代復(fù)合鋅陽極中的乙炔黑，結(jié)果表明：采用碳納米管替代乙炔黑后的復(fù)合鋅陽極的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯的變化。但碳納米管疏松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以為金屬鋅提供附著點，避免鋅的氧化，當(dāng)碳納米管的添加量分別達到8wt.%和16wt.%時，復(fù)合鋅陽極中有效鋅的含量可以分別達到44.94%和44.61%。 （2）復(fù)合鋅陽極中未添加碳納米管時，由于乙炔黑顆粒和羧甲基纖維素鈉、MnO2、金屬鋅顆粒之間的機械作用，電極材料顆粒較小且形貌規(guī)則、分布均勻；隨著碳納米管含量的增加，碳納米管對顆粒起到了“潤滑”的作用，基體表面微細狀乙炔黑顆粒明顯減少，表面逐漸光滑，分布在碳源基體上的大顆粒得以保留；當(dāng)碳納米管完全替代乙炔黑后，復(fù)合鋅陽極表面微細狀顆�；鞠�，表面非常光滑。 （3）隨著碳納米管添加量的增加，復(fù)合鋅陽極表面疏松的孔狀結(jié)構(gòu)和存在于乙炔黑、碳納米管表面的C-O-C、C-C、C=O、CH、OH、NH、=C-O-C等基團共同構(gòu)成的微-納米二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促使復(fù)合鋅陽極的接觸角不斷減小，當(dāng)碳納米管添加量達到8wt.%時，復(fù)合鋅陽極的接觸角小于30°，其表面由親水表面變?yōu)槌H水表面；當(dāng)碳納米管的添加量達到20wt.%時，復(fù)合鋅陽極的接觸角達到最小值20.5°。 （4）碳納米管高比表面積和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為電解質(zhì)的吸附提供了有效的通道，隨著碳納米管添加量的增加，復(fù)合鋅陽極的比電容量不斷增加，當(dāng)碳納米管添加量達到16wt.%時，常溫狀態(tài)下復(fù)合鋅陽極的還原電流達到9.941mA，而氧化電流也達到-12.028mA。而在高溫狀態(tài)下當(dāng)碳納米管添加量達到20wt.%時，還原電流達到8.123mA，而氧化電流也達到-5.858mA。 （5）由于碳納米管獨特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使電解質(zhì)溶液更易進入電極材料內(nèi)部與金屬鋅接觸，隨著碳納米管添加量的增加，復(fù)合鋅陽極的耐腐蝕性能下降。當(dāng)碳納米管的添加量分別達到8wt.%和12wt.%時，復(fù)合電極的耐腐蝕性能最差，這也與乙炔黑和碳納米管的復(fù)合方式有關(guān)。在常溫狀態(tài)下當(dāng)碳納米管的添加量達到16wt.%時，復(fù)合鋅陽極的自腐蝕電流密度為4.17×10-9A·cm-2，自腐蝕電位為-0.773V，為添加碳納米管的復(fù)合鋅陽極中耐腐蝕性能最高的。而在高溫狀態(tài)下當(dāng)碳納米管的添加量達到12wt.%時，復(fù)合鋅陽極的自腐蝕電流密度為1.15×10-9A·cm-2，自腐蝕電位為-0.085V，為添加碳納米管的復(fù)合鋅陽極中耐腐蝕性能最高的。 （6）采用AgNPs部分或完全替代復(fù)合空氣電極中的MnO2，結(jié)果表明：隨著AgNPs的添加，MnOx/AgNPs-CNTs復(fù)合空氣電極中的MnO2受到AgNPs的催化作用，進一步的分解生成Mn2O3，且隨著AgNPs添加量的不斷增加，MnO2的含量不斷降低；當(dāng)AgNPs的添加量達到6wt.%時，復(fù)合空氣電極錳氧化物主要以Mn2O3的形式存在。FTIR的研究表明，AgNPs替換MnO2并未影響復(fù)合空氣電極中活性炭、碳納米管等碳源基體的結(jié)構(gòu)。 （7）未添加AgNPs的復(fù)合空氣電極中MnO2顆粒大小不均，隨著AgNPs添加量的增加，復(fù)合空氣電極中的MnO2繼續(xù)分解為Mn2O3并存在團聚現(xiàn)象，AgNPs則與MnO2、Mn2O3以共生的方式存在，當(dāng)AgNPs完全替代MnO2后，碳源基體表面成分及分布更加單一，AgNPs以較大粒徑顆粒方式分布在碳源表面。 （8）MnOx/AgNPs-CNTs復(fù)合空氣電極表面的接觸角都小于30°，屬于超親水表面，這與空氣電極中存在活性炭、碳納米管等網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)以及其表面存在C-O-C、C-C、C=O、CH、OH、=C-O-C等基團所構(gòu)成的微-納米結(jié)構(gòu)有關(guān)。AgNPs替代MnO2增加了復(fù)合空氣電極表面的粗糙度，并增加了復(fù)合空氣電極孔狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的毛細吸力，促使液滴進一步向管道內(nèi)部拖拽液體，隨著AgNPs添加量的增加，，復(fù)合空氣電極表面的接觸角整體呈現(xiàn)減小趨勢，當(dāng)AgNPs的添加量達到8wt.%時，復(fù)合空氣電極的接觸角達到最小值8.0°。 （9）隨著AgNPs的添加量的增加，復(fù)合空氣電極中的MnO2受到AgNPs的催化作用分解生成Mn2O3；而附著在活性炭、碳納米管等碳源基體上的AgNPs和MnO2以及分解生成的Mn2O3顆粒間存在“氫溢流效應(yīng)”，加快了氧化還原反應(yīng)的速率。隨著AgNPs添加量的增加，復(fù)合空氣電極的CV曲線所圍著的面積逐漸減少，但AgNPs添加量在2wt.%、4wt.%和10wt.%時存在較大的氧化還原電流值。當(dāng)AgNPs添加量為2wt.%時，常溫狀態(tài)下復(fù)合空氣電極的還原電流達到8.132mA，而氧化電流也達到-5.349mA。而在高溫狀態(tài)下當(dāng)AgNPs添加量達到6wt.%時，還原電流達到5.506mA，而氧化電流也達到-4.028mA。 （10）由于AgNPs良好的電催化性能加速了電極材料的反應(yīng)，隨著AgNPs添加量的增加，導(dǎo)致了復(fù)合空氣電極耐腐蝕性能的下降。當(dāng)AgNPs添加量為2wt.%時，在常溫狀態(tài)下復(fù)合空氣電極的自腐蝕電流密度為6.35×10-8A·cm-2，自腐蝕電位為-0.275V，為添加AgNPs的復(fù)合空氣電極中耐腐蝕性能最高的。而在高溫狀態(tài)下當(dāng)AgNPs的添加量達到2wt.%時，復(fù)合空氣電極的自腐蝕電流密度為7.02×10-7A·cm-2，自腐蝕電位為-0.285V，為添加AgNPs的復(fù)合空氣電極中耐腐蝕性能最高的。
【關(guān)鍵詞】：鋅-空氣電池 納米材料 電極 電催化性能
【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】：2015
【分類號】：TM911.41;O646.5
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-21
• 1.1 引言13
• 1.2 鋅-空氣電池概述13-17
• 1.2.1 鋅-空氣電池的原理14-15
• 1.2.2 鋅-空氣電池的優(yōu)點15
• 1.2.3 鋅-空氣電池的不足15-17
• 1.3 鋅-空氣電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢17-19
• 1.3.1 鋅陽極17-18
• 1.3.2 空氣電極18-19
• 1.4 本論文選題意義及研究內(nèi)容19-21
• 1.4.1 選題意義19-20
• 1.4.2 研究內(nèi)容20-21
• 第二章 實驗過程及方法21-27
• 2.1 實驗原料及儀器設(shè)備21-22
• 2.2 電極材料的制備方案22-24
• 2.2.1 碳納米管復(fù)合鋅陽極的制備23
• 2.2.2 MnO_x/AgNPs-CNTs 復(fù)合空氣電極的制備23-24
• 2.3 電極材料結(jié)構(gòu)分析與表征24
• 2.3.1 XRD 分析24
• 2.3.2 FTIR 分析24
• 2.3.3 TG 分析24
• 2.3.4 SEM 分析24
• 2.4 電極材料的潤濕性能測試24-25
• 2.5 電極材料電化學(xué)性能測試25-27
• 2.5.1 循環(huán)伏安法25
• 2.5.2 Tafel 曲線測試25-27
• 第三章 碳納米管復(fù)合鋅陽極的性能研究27-52
• 3.1 引言27
• 3.2 碳納米管復(fù)合鋅陽極的結(jié)構(gòu)和形貌分析27-38
• 3.2.1 復(fù)合鋅陽極的 XRD 分析27-29
• 3.2.2 復(fù)合鋅陽極的 FTIR 分析29-30
• 3.2.3 復(fù)合鋅陽極的 TG 分析30-32
• 3.2.4 復(fù)合鋅陽極的形貌分析32-38
• 3.3 碳納米管復(fù)合鋅陽極的潤濕行為38-41
• 3.4 碳納米管復(fù)合鋅陽極的電催化過程分析41-45
• 3.4.1 常溫狀態(tài)下復(fù)合鋅陽極的循環(huán)伏安曲線分析41-43
• 3.4.2 高溫狀態(tài)下復(fù)合鋅陽極的循環(huán)伏安曲線分析43-45
• 3.5 碳納米管復(fù)合鋅陽極的耐腐蝕性能測試45-50
• 3.5.1 常溫狀態(tài)下復(fù)合鋅陽極的 Tafel 曲線45-48
• 3.5.2 高溫狀態(tài)下復(fù)合鋅陽極的 Tafel 曲線48-50
• 3.6 本章小結(jié)50-52
• 第四章 MnO_x/AgNPs-CNTs 復(fù)合空氣電極的性能研究52-73
• 4.1 引言52
• 4.2 MnO_x/AgNPs-CNTs 復(fù)合空氣電極的結(jié)構(gòu)和形貌分析52-61
• 4.2.1 復(fù)合空氣電極的 XRD 分析52-53
• 4.2.2 復(fù)合空氣電極的 FTIR 分析53-55
• 4.2.3 復(fù)合空氣電極的形貌分析55-61
• 4.3 MnO_x/AgNPs-CNTs 復(fù)合空氣電極的潤濕行為61-63
• 4.4 MnO_x/AgNPs-CNTs 復(fù)合空氣電極的電催化過程分析63-67
• 4.4.1 常溫狀態(tài)下復(fù)合空氣電極的循環(huán)伏安曲線分析63-65
• 4.4.2 高溫狀態(tài)下復(fù)合空氣電極的循環(huán)伏安曲線分析65-67
• 4.5 MnO_x/AgNPs-CNTs 復(fù)合空氣電極的耐腐蝕性能測試67-71
• 4.5.1 常溫狀態(tài)下復(fù)合空氣電極的 Tafel 曲線67-69
• 4.5.2 高溫狀態(tài)下復(fù)合空氣電極的 Tafel 曲線69-71
• 4.6 本章小結(jié)71-73
• 第五章 結(jié)論73-76
• 參考文獻76-85
• 致謝85-87
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文87

【參考文獻】

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本文編號：295607