碳基氧电极的制备及其在电化学氧气发生器中的应用

论文摘要

随着人们对氧疗和氧保健认识的深入,小型氧气发生器的研究受到了广泛重视。利用氧电极替代电解水过程中的析氢电极而实现制氧的技术具有十分突出的优点,但目前该技术仍存在制氧效率低、稳定性差等不足。针对这些问题,本论文对氧电极电化学制氧器的核心部件——氧电极的制备工艺和影响因素进行了系统地研究,然后以碳基氧电极为阴极、镍网为阳极、KOH水溶液为电解质,组装成单槽和多槽组合式电化学氧气发生器,对其关键影响因素进行了深入研究。首先应用极化曲线法系统研究了催化层和防水层组成、导电骨架等制备条件对氧电极性能的影响。研究发现,碳基氧电极的性能与其制备条件密切相关,采用下述条件制成的气体扩散电极具有较好的综合性能：催化层中mAB:mAC=3:7、mPTFE:mC=0.15:0.85；防水层中mPTFE: mAB:mP=1:1:1；80目镍网为导电骨架；电极成型压力为10MPa,冷压时间为1min。（AC表示活性碳,AB表示乙炔黑,P为造孔剂）采用N2吸附和TPD法详细研究了硝酸氧化和空气氧化处理对活性碳孔结构和表面化学性质的影响,考察了活性碳性质与氧电极性能之间的关系。研究发现,氧电极的性能随催化层中活性碳表面含氧基团的增多而下降；当活性碳孔隙增大时下降趋势更为显著。以本工作研制的150cm2碳基氧电极为阴极、金属镍网为阳极、40%KOH水溶液为电解液组装的制氧系统,在阴、阳间距为1cm、电流密度83mA/cm2、电解液温度控制在25～35℃、气室中空气流速为120L/h条件下,可获得纯度高于99.5%的氧气,以单片氧电极计其出气量稳定在5.0L/h左右,电流效率高达92%,充分体现出了双极制氧的优势。基于双极制氧过程中存在的H202氧化破坏氧电极结构问题,论文还对氧还原电催化剂进行了初步的探索。结果发现,MnOx/CNT对氧还原反应具有十分突出的电催化活性,在二电还原电位下即能将氧完全还原成OH-,该复合材料是一种极具发展潜力的高活性氧还原电催化剂,有望用于高性能单极式电化学氧气发生器氧电极的制备。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 氧气的制取方法
• 1.1.1 空气分离法
• 1.1.2 化学法
• 1.1.3 水电解法
• 1.1.4 氧电极法
• 1.2 氧电极的研究进展
• 1.2.1 氧电极的结构
• 1.2.2 氧还原反应机理
• 1.2.3 氧分子在电极表面的吸附
• 1.2.4 氧电极催化剂的研究进展
• 1.3 氧电极法电化学制氧技术现状
• 1.4 论文选题目的与意义
• 参考文献
• 第二章 实验内容与测试方法
• 2.1 化学药品
• 2.2 仪器
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 BET及孔性能测试
• 2.3.2 TPD研究
• 2.3.3 X射线衍射分析
• 2.3.4 扫描电镜表面形貌观察
• 2.3.5 电化学性能测试
• 2.3.6 氧含量测定
• 第三章 制备条件对氧电极性能的影响
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要原料
• 3.1.2 电化学测试
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 电位扫描速度对极化曲线的影响
• 3.2.2 导电骨架对电极性能的影响
• 3.2.3 防水层碳材料的选择
• 3.2.4 防水层PTFE含量的影响
• 3.2.5 防水层造孔剂添加量的影响
• 3.2.6 催化层中碳材料配比对电极性能的影响
• 3.2.7 催化层造孔剂添加量的影响
• 3.2.8 催化层PTFE含量的影响
• 3.2.9 优化条件下制得的氧电极稳定性研究
• 3.3 结论
• 参考文献
• 第四章 碳材料表面性质对氧电极性能的影响
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 活性碳的预处理及表征
• 4.1.2 氧气扩散电极制备
• 4.1.3 催化层的亲水性及电化学性能测试
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 活性碳的孔结构与表面化学性质
• 4.2.2 碳基氧气扩散电极的电化学性能研究
• 4.3 结论
• 参考文献
• 第五章 电化学氧气发生器的工艺试验
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 单槽试验
• 5.1.2 样机的制作及性能测试
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 单槽试验
• 5.2.2 样机性能测试
• 5.3 结论
• x/CNT的制备及其对氧还原反应的电催化性能研究'>第六章 MnO_x/CNT的制备及其对氧还原反应的电催化性能研究
• 6.1 实验部分
• x/CNT的制备'>6.1.1 MnO_x/CNT的制备
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 结构与形貌
• 6.2.2 电化学性能
• 6.3 结论
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢