TM-N/C催化剂空气电极的制备与性能

论文摘要

空气电极是金属-空气电池及所有类型燃料电池的正极，其性能的好坏直接制约着电池的长足发展。空气电极上发生的氧还原反应（ORR），历来都是研究和关注的重点，因为该反应过程复杂，动力学反应过程较为缓慢，交换电流密度低，这就促使ORR催化剂成为限制电池正极电化学反应活性的关键因素之一。本文采用简单热处理方式制备了高效价廉的非贵金属氧还原电催化剂Co-N/C（800），并利用该催化剂制备成空气电极，考察了空气电极的制备工艺对性能的影响，提出了制备空气电极的优化工艺，并将优化后的空气电极进行了应用。通过X-射线衍射、线性电位扫描、阴极极化曲线及单电池测试等分析测试技术，考察了Co-N/C（800）的组成结构、ORR催化活性、空气电极的电化学行为、锌-空气电池的放电性能。研究结果表明：Co-N/C（800）在碱性溶液中（1mol/LNaOH）对ORR有很好的催化活性，起始氧还原电位约为0.04V（vs.MOE）；在近中性溶液中（4mol/LNH4Cl），Co-N/C（800）也具有良好的催化ORR活性，起始氧还原电位为0.23V（vs.SCE）。不同扫描速率下的LSV曲线表明Co-C/N催化剂电催化氧还原反应是不可逆过程，电极反应过程主要受扩散步骤控制。空气电极优化的制备工艺为：采用催化层/导电不锈钢网/防水层的排列方式，PTFE含量在催化层中为25%（wt），在扩散层中为60%（wt），烧结温度为150℃且不需要通入氮气保护。考察空气电极受NaOH溶液浓度的影响，得到在7mol/L NaOH中空气电极性能最佳，在室温及空气气氛条件下，电极过电位为-0.6V （vs.MOE）时，电流密度接近100mA/cm2。自制的空气电极与纯锌片所组装的锌-空气电池，以浓度为7mol/L NaOH为电解液，在电池过电位为0.8V（vs.MOE）时，电流密度超过了100mA/cm2，电池最大功率密度达85mW/cm2；催化ORR性能优于常规MnO2催化剂；同时进行单电池放电测试，在长达70h的放电时间内，放电平台保持在1.251.30V且性能稳定。锌-空气电池在近中性溶液（4mol/LNH4Cl）中进行放电测试，放电电压为1.0V左右，且放电时间长，放电电压平稳。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 空气电极的发展概况
• 1.2 空气电极的结构和原理
• 1.2.1 空气电极的结构
• 1.2.2 空气电极的工作原理
• 1.3 锌空气电池的工作原理
• 1.4 空气电极催化剂
• 1.5 TM-N/C 类催化剂
• 1.6 本论文研究的意义和内容
• 2 实验部分
• 2.1 实验材料和实验装备
• 2.1.1 主要实验药品
• 2.1.2 主要实验装备
• 2.2 CO-N/C 催化剂的制备
• 2.2.1 乙炔黑的预处理
• 2.2.2 Co-N/C 催化剂的制备方法
• 2.2.3 玻碳工作电极的制作
• 2.3 空气电极的制备
• 2.3.1 集流体的选择
• 2.3.2 电极各层排列方式
• 2.3.3 空气电极的制作配方
• 2.3.4 空气电极的制作工艺流程
• 2.3.5 自制实验电解池
• 2.4 表征方法
• 2.4.1 X 射线衍射表征
• 2.4.2 线性电位扫描伏安法
• 2.4.3 极化曲线
• 2.4.4 计时电位法
• 2.5 实验过程
• 2.5.1 Co-N/C 催化剂电化学性能的测试
• 2.5.2 空气电极的电化学测试
• 2.5.3 Zn-空气电池的性能测试
• 3 CO-N/C 催化剂的表征
• 3.1 CO-N/C 催化剂的 XRD 衍射分析
• 3.2 在碱性介质中 CO-N/C 催化剂的电化学行为
• 3.2.1 AB 的催化活性
• 3.2.2 Co-N/C 催化剂的催化活性
• 3.2.3 不同浓度的电解液的影响
• 3.2.4 不同扫描速率的影响
• 3.2.5 不同热处理温度的影响
• 3.2.6 催化剂的稳定性
• 3.3 近中性介质中 CO-N/C 催化剂的电化学行为
• 3.3.1 1 mol/L NH4Cl 溶液
• 3.3.2 4mol/L NH4Cl 溶液
• 3.3.3 浓度的影响
• 3.4 本章小结
• 4 空气电极的制备及性能检测
• 4.1 催化层中催化剂 CO-N/C 的选取以及含量的优化
• 4.2 催化层中 PTFE 含量的优化
• 4.3 扩散层中 PTFE 含量的优化
• 4.4 电极各层的排列对空气电极性能的影响
• 4.5 热处理工艺对空气电极性能的影响
• 4.5.1 烧结温度对空气电极性能的影响
• 4.5.2 烧结的气体氛围的影响
• 4.6 电解液浓度对空气电极性能的影响
• 4.6.1 碱性电解液
• 4.6.2 近中性介质
• 4.7 本章小结
• 5 ZN-空气电池的组装与测试
• 5.1 ZN-空气电池单电池制作
• 5.2 碱性介质中 ZN-空气电池的电化学性能
• 5.3 在碱性介质中电池的寿命测试
• 5.4 在中性介质中电池的寿命测试
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 硕士期间发表的论文