【摘要】：燃料電池與金屬空氣電池作為新興的化學(xué)能裝換裝置與二次電池,具有清潔高效的特點,能夠緩解日益突出的能源和環(huán)境問題,但其陰極緩慢的動力學(xué)和昂貴的催化劑成本制約了它們的大規(guī)模應(yīng)用,因此,需要開發(fā)經(jīng)濟高效、易于規(guī)�；难蹼姌O催化劑。相對貴金屬,儲量豐富、價格便宜的過渡金屬在氧電極催化中體現(xiàn)了潛力。靜電紡絲技術(shù)具有易于放大、工業(yè)化的特點,但目前研究者們大多使用高污染的有機溶劑電紡體系制備碳纖維材料,因此,開發(fā)無污染、環(huán)境友好的水相靜電紡絲技術(shù),應(yīng)用于碳基纖維催化材料的制備中,具有更大的研究價值和實際應(yīng)用意義。本研究選取生物質(zhì)衍生物殼聚糖作為碳源,采取水相靜電紡絲的方法來制備碳基納米纖維;通過綜合熱分析研究碳基納米纖維在惰性氣氛中的熱解特性,設(shè)計慢速升溫、恒溫?zé)峤獬绦?來控制金屬在納米纖維熱解過程中的團聚現(xiàn)象;并考察所得碳基納米纖維在氧還原和氧析出/氧還原反應(yīng)中的催化性能。主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)通過理性分析各前驅(qū)物的性質(zhì)和各組分的比列變化對靜電紡絲工藝參數(shù)的影響,合理設(shè)計邊界條件和探索實驗,采用線性規(guī)劃的方法得到了紡絲前驅(qū)物配比的可行區(qū)域,并從優(yōu)化ORR性能的角度在該區(qū)域內(nèi)選擇了最佳前驅(qū)物配比:PEO:CS:鈷源:PEI(50%)=1.4:1:0.1:0.8;通過分析各前驅(qū)物及其復(fù)合物在惰性氣氛下熱解規(guī)律,得到原絲熱解的最佳慢速升溫、恒溫程序;最佳樣品Co-N-CNF-LM中鈷分布均勻,在堿性條件下,催化氧還原性能非常接近商業(yè)Pt/C的催化性能,其催化氧還原的起始電位和半波電位分別為0.930V和0.812V(vs RHE),極限電流密度為4.3 mA cm~(-2),電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.70,動力學(xué)電流密度達24.43 mA cm~(-2),塔菲爾斜率為-48.5 mV dec~(-1),且具有比Pt/C更好的甲醇耐受性。(2)將上述水相體系靜電紡絲結(jié)合慢速程序升溫、恒溫?zé)峤獾姆椒ㄍ卣沟解掕F雙金屬摻雜碳基纖維CoFe/CoFe_2O_4-CNFs的制備。研究了熱解方式、兩種金屬(鈷和鐵)前驅(qū)物的比例和加入量對所得纖維中CoFe合金顆粒和CoFe_2O_4顆粒粒徑、及其對OER/ORR電催化性能的影響,發(fā)現(xiàn)金屬分散劑PEI的加入與慢速程序升溫?zé)峤舛加欣诮饘兕w粒粒徑減小,提高了電化學(xué)活性表面積和催化氧電極反應(yīng)的性能,所得最佳樣品Co_(12)Fe_(18)-CNF,在0.1M KOH中的電位差(E_(10)-E_(1/2))為0.979 V,比Pt/C+RuO_2的電位差(E_(10)-E_(1/2))略大,相差64 mV。
【圖文】：

1-1 堿性陰離子交換膜燃料電池工作原理示意圖[9]re 1-1 Schematic of AAEMFC operating principle[9池工作原理四部分組成：以金屬作為陽極（anode），空子電解質(zhì)，隔膜。常見的陽極金屬通常采用-空氣電池可以分為兩種類型：一種使用含使用有機電解質(zhì)，如有機體系或有機-水混在放電過程中，金屬陽極被氧化并將電子陽極的電子并被還原成含氧物質(zhì)。氧還原物并與對應(yīng)物結(jié)合形成金屬氧化物。相反，充

圖 1-2 金屬 - 空氣電池工作原理示意圖[10]。Figure 1-2 Schematic diagram of a metal air battery working principle[10].電極反應(yīng)機理還原反應(yīng)機理原的電化學(xué)過程比較復(fù)雜，涉及幾個基本步驟的多電子轉(zhuǎn)移過程。的模型是 Wroblowa 提出的通過“直接四電子”或“兩步過氧化物”過簡化途徑[11]。如圖 1-3（a）所示， O2可以直接通過 4 電子過程還學(xué)速率常數(shù)為 k1�；蛘�，，它可以以 2 電子過程還原為吸附的 H2O k2，隨后，H2O2可以以速率常數(shù) k3進一步還原成水；或者，H2O2 k4在電極表面上分解成 O2；或解吸到電解質(zhì)溶液中（速率常數(shù) k5RR 電催化劑使得反應(yīng)主要以“四電子”過程進行，使得電效率更高
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM911.4;TQ340.1

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 呂衍安;李楠;索掌懷;;殼聚糖熱裂解催化劑的篩選[J];煙臺大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程版);2014年01期

本文編號：2641629