本文選題：燃料電池　切入點(diǎn)：碳材料　出處：《哈爾濱工程大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：電極材料是燃料電池的重要組成部分之一,它的選擇決定了燃料電池的電化學(xué)性能以及應(yīng)用范圍。通常,燃料電池電極的制備主要是通過(guò)涂覆法將均勻混合后的活性物質(zhì),導(dǎo)電劑以及粘結(jié)劑覆蓋于金屬基體表面。電極基體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與活性物質(zhì)負(fù)載方法的改進(jìn)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一,科研工作者正致力于構(gòu)建三維(3D)結(jié)構(gòu)支撐的無(wú)粘結(jié)劑電極,來(lái)克服傳統(tǒng)的涂覆法導(dǎo)致的催化劑利用率低,電極電化學(xué)性能差的缺點(diǎn)。目前,隨著可穿戴型電子設(shè)備的快速發(fā)展,作為其核心元件,柔性電極的設(shè)計(jì)吸引了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。NaBH4和N2H4具有較高的氫含量,且與液態(tài)氫相比更易于保存,安全性更高;H2O2可同時(shí)作為氧化劑與燃料,而且產(chǎn)物為氧氣和水,可應(yīng)用于水下及航空電子設(shè)備。本論文中,泡沫鎳及柔性的海綿、纖維布、紙、塑料等作為電極基體,通過(guò)涂覆、浸漬干燥、粘貼、電沉積、化學(xué)還原等過(guò)程制備燃料電池電極,并將它們用于催化NaBH4,N2H4及H2O2的電化學(xué)氧化和還原反應(yīng);分別使用SEM,TEM,XRD,Raman,FT-IR,ICP等物理表征手段以及循環(huán)伏安(CV),線性掃描(LSV),計(jì)時(shí)電流(CA)等電化學(xué)測(cè)試方法研究所制備電極的物理結(jié)構(gòu)以及作為催化劑的電化學(xué)性質(zhì)。AB5型儲(chǔ)氫合金與多壁碳納米管(MWNTs)按不同比例均勻混合,并使用聚四氟乙烯(PTFE)作為粘結(jié)劑,采用機(jī)械攪拌法均勻混合并涂覆于泡沫鎳表面作為NaBH4電氧化催化劑。MWNTs不僅充當(dāng)了導(dǎo)電劑作用,而且可作為氫吸附劑吸附反應(yīng)過(guò)程中BH4-不完全電氧化和水解產(chǎn)生的氫。MWNTs的含量對(duì)電極的電催化性能有巨大的影響,當(dāng)MWNTs比例為2 wt.%時(shí),電極展現(xiàn)了最佳的電化學(xué)性能。AB5/MWNTs(2 wt.%)電極表面產(chǎn)生的穩(wěn)定電流密度是純的AB5電極的2倍。此時(shí),NaBH4的利用率達(dá)到61.5%,高于原始的AB5電極(50.9%)。還原的石墨烯通過(guò)簡(jiǎn)單的浸漬和電還原過(guò)程緊密的包覆于泡沫鎳框架表面形成3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Reduced graphene networks,RGN)。隨后以此為基體采用電沉積法負(fù)載Au納米顆粒,并用作NaBH4電氧化催化劑。RGN提高了 Au顆粒的分散性,整個(gè)制備過(guò)程中沒(méi)有使用任何粘結(jié)劑。所制備的RGN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)負(fù)載的Au電極具有比純的泡沫鎳負(fù)載的Au更高的電催化活性,在含有2 mol·dm-3 NaOH和0.1 mol·dm-3 NaBH4的溶液中,當(dāng)電位為0V時(shí),其氧化電流密度達(dá)到了 500 mA·cm-2。MWNTs包覆的海綿(MWNTs/Sponge)基體通過(guò)簡(jiǎn)單的“浸漬干燥”法制備而成。球狀的Ni納米顆粒經(jīng)過(guò)電沉積過(guò)程附著于MWNTs/Sponge輪廓表面得到新型的具有3D多孔結(jié)構(gòu)的Ni電極,作為NaBH4電氧化催化劑。所制備的Ni@MWNTs/sponge保持了海綿基體的3D多孔結(jié)構(gòu),有利于電解液的擴(kuò)散,而且海綿具有很強(qiáng)的吸水性,保證了燃料與催化劑的充分接觸,使其具有優(yōu)越的電催化活性,當(dāng)溶液為2mol·dm-3 NaOH和0.1mol·dm-3 NaBH4時(shí),在-0.7 V 下,其電流密度達(dá)到了300mA·cm-2(20 mA/(cm2·mg)),要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它報(bào)道的Ni電極催化劑。值得指出的是,所制備的電極具有良好的可變形性,可被應(yīng)用于可穿戴型電子設(shè)備。具有3D分層結(jié)構(gòu)的MWNTs修飾的纖維布負(fù)載的過(guò)渡金屬Co和Ni電極通過(guò)相似的“浸漬干燥”和電沉積過(guò)程制備而成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所制備的纖維布負(fù)載的Co,Ni催化劑電極對(duì)NaBH4,H2O2及N2H4具有優(yōu)越的電氧化催化活性。在-0.7V時(shí),當(dāng)溶液為1mol·dm-3 NaOH和0.1mol·dm-3NaBH4時(shí),氧化電流密度達(dá)到了170mA·cm-2。在含有2mol·dm-3 NaOH和2.5 mol·dm-3 H2O2的溶液中,當(dāng)電位為0.5V時(shí),氧化電流密度高達(dá)720mA·cm-2。在N2H4溶液中,開(kāi)路電位在-0.9V左右,而且在-0.8V時(shí),在含有1mol·dm-3 NaOH和20 mmol·dm-3 N2H4的溶液中,其氧化電流密度達(dá)到12mA·cm-2,均優(yōu)于之前大多數(shù)相關(guān)的報(bào)道。紙負(fù)載的Co基催化劑通過(guò)鉛筆涂覆以及金屬電沉積過(guò)程制備而成。所制備的Co@Graphite/Paper及CoPd@Graphite/Paper電極具有3D立體結(jié)構(gòu),在堿性環(huán)境中對(duì)H2O2展現(xiàn)了良好的電催化性能。在含有2mol·dm-3 NaOH和0.5mol·dm-3 H2O2的溶液中,當(dāng)電位為0.5V時(shí),Co@Graphite/Paper表面產(chǎn)生的氧化電流密度達(dá)到580 mA·cm-2。Co(OH)2和Co(OH)3在H2O2電氧化反應(yīng)過(guò)程中起到了反應(yīng)活性位點(diǎn)的作用。在-0.5 V時(shí),當(dāng)溶液為1mol·dm-3 NaOH 和1.4mol·dm-3 H2O2 時(shí),CoPd@Graphite/Paper 電極表面單位質(zhì)量Pd上產(chǎn)生的還原電流密度高達(dá)-4.3A·cm-2·mg-1。這兩種電極均具有可變形性,可應(yīng)用于柔性電子設(shè)備。紙作為電極基體減少了金屬基體的使用,節(jié)約了金屬資源,而且紙可降解,更加環(huán)保。塑料紙和MWNTs通過(guò)雙面膠的粘貼形成一種新型的導(dǎo)電基體(MWNTs/Plastic),并通過(guò)電沉積過(guò)程在其表面負(fù)載Co納米刺電極。制得的電極(Co@MWNTs/Plastic)用于催化NaBH4電氧化,并展現(xiàn)了良好的電化學(xué)性能,在-0.73V時(shí),當(dāng)溶液為3mol·dm-3 NaOH 和0.1mol·dm-3 NaBH4時(shí),氧化電流密度達(dá)到了110mA·cm-2。BH4-在Co@MWNTs/Plastic表面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)包括氫在金屬Co和MWNTs上的電氧化及BH4-在Co(OH)2表面的電氧化。
[Abstract]:The electrode material is one of the important components of fuel cell . Its choice determines the electrochemical performance and application range of the fuel cell . At this time , the utilization rate of NaBH reached 61.5 % , higher than that of the original AB5 electrode ( 50.9 % ) . The reduced graphene formed 3D network structure ( RGN ) on the surface of foam nickel frame by simple impregnation and electrochemical reduction process . A new Ni electrode with 3D porous structure has been prepared by means of a simple " dipping and drying " method . The results show that the electrochemical reaction of Co @ MWNT / Plastic on the surface of CoPd @ Graphite / Paper electrode is high up to - 4.3A 路 cm - 2 路 mg - 1 , which can be applied to flexible electronic equipment .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36;TM911.4

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本文編號(hào)：1686064