過(guò)渡金屬摻雜的納米碳材料結(jié)合了納米碳和過(guò)渡金屬的優(yōu)點(diǎn),具有極佳的催化活性,在鋰硫電池及電催化氧還原反應(yīng)中均有廣泛的應(yīng)用。在過(guò)渡金屬納米碳復(fù)合材料中,鐵摻雜的納米碳材料屬于催化活性較高的一類,但是仍然存在很多問(wèn)題,例如,碳材料的導(dǎo)電性不足、導(dǎo)離子能力差、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等等。基于此,我們?cè)O(shè)計(jì)了新的鐵摻雜納米碳材料,并研究了其在鋰硫電池和氧還原反應(yīng)中的作用。通過(guò)化學(xué)氣相沉積法一步合成了鐵/氮共摻雜的碳納米管材料（Fe-N-CNTs）,我們得到了一種具有催化作用的竹節(jié)狀中空結(jié)構(gòu)、高比表面積的復(fù)合材料。通過(guò)X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）以及透射電子顯微鏡（TEM）,證明了 Fe3C、Fe3N晶體的存在以及其竹節(jié)狀中空結(jié)構(gòu),提高碳納米管的導(dǎo)電性。另外,Tafel斜率以及起始電位的變化證明了 Fe-N-CNTs的催化性能,即充放電循環(huán)中加快了多硫化物之間轉(zhuǎn)換反應(yīng)速率。Fe-N-CNTs作為催化劑的同時(shí)還是鋰硫電池中活性物質(zhì)硫的載體,其負(fù)載單質(zhì)硫時(shí),表現(xiàn)出較高的容量;尤其是當(dāng)硫的負(fù)載量達(dá)到13.12mgcm-2時(shí),經(jīng)過(guò)50圈的循環(huán),比容量仍能保持在9.10 mAh cm-1（電流密度在2.... 

【文章來(lái)源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：82 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．３鋰硫電池充放電過(guò)程示意圖［６］??－

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文?＾??１．３．１鋰硫電池的簡(jiǎn)介??１．３．１．１鋰硫電池的原理??鋰硫電池首次被提出是在十九世紀(jì)六十年代［４］，主要由四部分組成：硫正極、鋰金屬??負(fù)極、隔離器和鋰硫電解液，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如下圖１．２所示。而正極材料，除了活性??物質(zhì)硫之外，還包括硫載體物質(zhì)、聚合物粘結(jié)劑、導(dǎo)電碳材料這些材料；電解液一般是使??用有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)。??ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｃｈａｒｇｅ??驗(yàn)一??Ｃａｒｂｏｎ?ａｄｄｉｔｉｖｅ??圖１．２鋰硫電池結(jié)構(gòu)示意圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｌｉｔｈｉｕｍ－ｓｕｌｆｕｒ?ｂａｔｔｅｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ＾??鋰硫電池的容量主要來(lái)源于正極活性硫單質(zhì)與負(fù)極鋰金屬發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，即??ｌ６Ｌｉ＋Ｓｘ＾８Ｌｉ２Ｓ，如下圖１．３示。放電過(guò)程中，該反應(yīng)是一個(gè)典型的兩步反應(yīng)，第一步中，??環(huán)狀Ｓｘ分子形成一系列可溶的多硫化物（Ｌｉ２Ｓｘ，４公ｃＳ８）；第二步再沉淀成固態(tài)的放電產(chǎn)物??（Ｌｉ２Ｓ２和Ｌｉ２Ｓ）。第一步放電平臺(tái)的電壓區(qū)域在２．３？２．１Ｖ?（ｖｓ丄ｉ＋／Ｌｉ，下同），理論容量??為４１８ｍＡｈｇ－１，第二步放電平臺(tái)的低電壓區(qū)域?yàn)椋玻�？１．７Ｖ，理論容量為１２５�?ｍＡｈｇ＿１。該??反應(yīng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多步氧化還原反應(yīng)，并且伴隨著形態(tài)與結(jié)構(gòu)的變化。??３〇－?Ｓ，＋?１６Ｌｉ．＋?１６ｅ?—?８ＵｊＳ??，Ｓｏｌｉｄ?—？?Ｌｉｑｕｉｄ??？?Ｓｏｌｉｄ??？２．６－?？??ｉ??＞?ｖ?????ｕ：ｓ，ｔｋ＼——??１．８－?Ｌ？八??１６Ｊ???？??Ｓｐｅｃｉｆｉｃ?ｃａｐａｃｉｔｙ?（ｍＡｈ?ｇ?）??圖１．３

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文???場(chǎng)的集流板組成。質(zhì)子交換膜主要是用來(lái)傳遞Ｈ＋、阻止電子的傳遞、隔離陰陽(yáng)極的；氣??體擴(kuò)散層主要是用來(lái)提供氣體傳輸通道、收集電流、支撐催化劑層和改善水的管理的；而??催化劑層主要是用來(lái)發(fā)生電極反應(yīng)的。??質(zhì)子交換膜??氛氣入口＿１－，?．：■??１?氧氣入口??ｈ?？圓?°２??Ｈ，?〇２??多余氧氣二出口??催化劑Ｌ！?Ｉｅ催化劑??圖１．４質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａ?ｐｒｏｔｏｎ?ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ??質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理為：ｈ２進(jìn)入陽(yáng)極后，擴(kuò)散到達(dá)陽(yáng)極催化劑表面，并在催??化劑的作用下分解形成質(zhì)子和電子，而產(chǎn)生的質(zhì)子和電子一個(gè)通過(guò)膜到達(dá)陰極，一個(gè)則沿??著外電路通過(guò)負(fù)載到達(dá)陰極。與此同時(shí)，〇２在擴(kuò)散作用下到達(dá)陰極催化劑表面，并與質(zhì)子、??電子在催化作用下發(fā)生氧還原反應(yīng)（ＯｘｙｇｅｎＲｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ，簡(jiǎn)寫：ＯＲＲ）生成水。陰??陽(yáng)極反應(yīng)和總反應(yīng)如下所示：??陽(yáng)極（氧化反應(yīng)）：２Ｈ２—４Ｈ＋＋４ｅ－?Ｅ°＝０?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??陰極（還原反應(yīng)）：〇２＋４Ｈ＋＋４ｅ－—２Ｈ２〇?Ｅ°＝ｌ?．２３?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??總反應(yīng)：２Ｈ２＋〇２—２丨七Ｏ?Ｅ°＝ｌ．２３?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??氧還原反應(yīng)是質(zhì)子交換膜燃料電池陰極的主要反應(yīng)，該反應(yīng)的缺點(diǎn)是過(guò)程復(fù)雜、中間??產(chǎn)物多，而且其反應(yīng)速率比陽(yáng)極Ｈ２的還原反應(yīng)低很多，這也是低溫燃料電池效率損失的??原因，損失率可能占到整體電池效率損失的８０％［４叱因此，推進(jìn)燃料

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]面向資源和環(huán)境的石油化工技術(shù)創(chuàng)新與展望[J]. 陳昌萬(wàn).  云南化工. 2017(12)
[2]試論我國(guó)石化行業(yè)的環(huán)保現(xiàn)狀及治理技術(shù)[J]. 劉汝斌.  化工管理. 2017(11)

博士論文
[1]網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)碳/硫復(fù)合材料的制備及其在鋰硫電池中的電化學(xué)性能研究[D]. 苗力孝.北京理工大學(xué) 2014

碩士論文
[1]鋰離子電池Li-Mn-O系正極材料的制備和改性研究[D]. 路中培.江蘇大學(xué) 2017



本文編號(hào)：3493239