钴复合氧化物作为Al-H2O2半燃料电池阴极催化剂的研究

论文摘要

以H2O2替代氧气作为阴极氧化剂的燃料电池,具有体积能量密度高、结构简单、易于操作、不依赖空气环境等突出优点,可广泛用作水下和空间电源。目前,H2O2阴极催化剂存在价格昂贵和在催化H2O2直接电还原的同时也催化H2O2分解等问题。因此,研究对H2O2直接电还原具有高催化活性、良好的稳定性、且对H2O2分解的催化活性低、以及廉价的催化剂具有重要意义。本论文采用沉淀法制备了Co3O4,采用溶胶.凝胶法制备了NiCo2O4,利用X-射线衍射仪（XRD）、透射电镜（TEM）等测试方法对所制备物质进行了表征。结果表明,沉淀法制备的Co3O4和溶胶.凝胶法制备的NiCo2O4均为具有尖晶石结构的纳米催化剂,Co3O4和NiCo2O4的粒径分别约为17nm和5 nm。分别利用所制备的Co3O4和NiCo2O4作为H2O2电还原催化剂,制备了Co3O4/C/Ni和NiCo2O4]C/Ni电极,研究了在KOH电解质溶液中电极上H2O2电化学还原反应。发现最佳的碳粉和催化剂比例为3:7,最佳KOH电解液浓度为3mol·L-1。稳定性测试表明,Co3O4/C/Ni和NiCo2O4/C/Ni电极在碱性电解液中对H2O2电还原具有优良的催化活性和稳定性,在H2O2浓度较低时(<0.4mol·L-1),电极上未观测到H2O2分解,电极上发生的反应主要为H2O2直接电还原反应。利用Co3O4/C/Ni、NiCo2O4/C/Ni电极作为阴极,设计、组装和测试了Al-H2O2半燃料电池。结果表明,阳极使用LF6比LF21具有更高的开路电压和放电性能,阴极使用Co3O4电极比NiCo2O4电极能获得更佳的电池放电性能。阳极使用LF6,阴极为Co3O4电极,阴极电解液为3 mol·L-1。KOH+1.5 mol·L-1H2O2,阳极电解液为3 mol·L-1KOH,室温下,电池开路电压1.45V,峰值输出比功率为190 mW·cm-2,此时,电流密度为255 mA·cm-2。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池
• 1.1.1 燃料电池简介
• 1.1.2 燃料电池的特点及分类
• 2O₂阴极'>1.2 H₂O₂阴极
• 2阴极存在的问题'>1.2.1 O₂阴极存在的问题
• 2O₂阴极及其它阴极'>1.2.2 H₂O₂阴极及其它阴极
• 2O₂基燃料电池'>1.3 H₂O₂基燃料电池
• 2O₂基燃料电池介绍'>1.3.1 H₂O₂基燃料电池介绍
• 2O₂电还原催化剂'>1.3.2 H₂O₂电还原催化剂
• 2O₂阴极存在的问题'>1.3.3 H₂O₂阴极存在的问题
• 3O₄与NiCo₂O₄介绍'>1.4 Co₃O₄与NiCo₂O₄介绍
• 1.5 本论文研究的目的意义和内容
• 1.5.1 研究的目的和意义
• 1.5.2 研究的内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验试剂及仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 催化剂的制备、电极的制备、以及电池的组装
• 2.2.1 催化剂制备
• 2.2.2 电极制备
• 2.2.3 电池组装
• 2.3 电化学测试
• 2.3.1 电极性能测试
• 2.3.2 电池性能测试
• 2.4 催化剂及电极表面形貌分析
• 2.5 催化剂结构分析
• 2.6 催化剂组成的测定
• 3O₄电极作为H₂O₂阴极的行为'>第3章 Co₃O₄电极作为H₂O₂阴极的行为
• 3O₄催化剂的表征'>3.1 Co₃O₄催化剂的表征
• 3.1.1 X-射线衍射（XRD）分析
• 3O₄粉末的SEM表征'>3.1.2 Co₃O₄粉末的SEM表征
• 3O₄粉末的TEM表征'>3.1.3 Co₃O₄粉末的TEM表征
• 3O₄电极性能测试'>3.2 Co₃O₄电极性能测试
• 2O₂电还原的影响'>3.2.1 KOH浓度对H₂O₂电还原的影响
• 3O₄与碳粉比例对H₂O₂电还原的影响'>3.2.2 Co₃O₄与碳粉比例对H₂O₂电还原的影响
• 2O₂在Co₃O₄电极上发生的反应'>3.2.3 H₂O₂在Co₃O₄电极上发生的反应
• 2O₂浓度对电还原的影响'>3.2.4 H₂O₂浓度对电还原的影响
• 2O₂电还原的影响'>3.2.5 温度对H₂O₂电还原的影响
• 3.2.6 电极稳定性测试
• 3.3 电化学阻抗（EIS）
• 3.4 电极形貌分析
• 3.5 本章小结
• 2O₄电极作为H₂O₂阴极的行为'>第4章 NiCo₂O₄电极作为H₂O₂阴极的行为
• 2O₄的表征'>4.1 NiCo₂O₄的表征
• 4.1.1 X-射线衍射（XRD）表征
• 2O₄样品的EDS表征'>4.1.2 NiCo₂O₄样品的EDS表征
• 2O₄样品的TEM表征'>4.1.3 NiCo₂O₄样品的TEM表征
• 2O₄电极对H₂O₂电还原的催化性能'>4.2 NiCo₂O₄电极对H₂O₂电还原的催化性能
• 2O₂在NiCo₂O₄电极上发生的反应'>4.2.1 H₂O₂在NiCo₂O₄电极上发生的反应
• 2O₂浓度的影响'>4.2.2 H₂O₂浓度的影响
• 4.2.3 电极稳定性测试
• 4.3 电极表面形貌分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 铝-过氧化氢半燃料电池性能测试
• 2O₂半燃料电池'>5.1 Al-H₂O₂半燃料电池
• 3O₄电极为阴极的Al-H₂O₂半燃料电池'>5.2 以Co₃O₄电极为阴极的Al-H₂O₂半燃料电池
• 2O₄电极为阴极的Al-H₂O₂半燃料电池'>5.3 以NiCo₂O₄电极为阴极的Al-H₂O₂半燃料电池
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢