過渡金屬摻雜的納米碳材料結(jié)合了納米碳和過渡金屬的優(yōu)點,具有極佳的催化活性,在鋰硫電池及電催化氧還原反應中均有廣泛的應用。在過渡金屬納米碳復合材料中,鐵摻雜的納米碳材料屬于催化活性較高的一類,但是仍然存在很多問題,例如,碳材料的導電性不足、導離子能力差、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等等�；诖�,我們設計了新的鐵摻雜納米碳材料,并研究了其在鋰硫電池和氧還原反應中的作用。通過化學氣相沉積法一步合成了鐵/氮共摻雜的碳納米管材料（Fe-N-CNTs）,我們得到了一種具有催化作用的竹節(jié)狀中空結(jié)構(gòu)、高比表面積的復合材料。通過X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）以及透射電子顯微鏡（TEM）,證明了 Fe3C、Fe3N晶體的存在以及其竹節(jié)狀中空結(jié)構(gòu),提高碳納米管的導電性。另外,Tafel斜率以及起始電位的變化證明了 Fe-N-CNTs的催化性能,即充放電循環(huán)中加快了多硫化物之間轉(zhuǎn)換反應速率。Fe-N-CNTs作為催化劑的同時還是鋰硫電池中活性物質(zhì)硫的載體,其負載單質(zhì)硫時,表現(xiàn)出較高的容量;尤其是當硫的負載量達到13.12mgcm-2時,經(jīng)過50圈的循環(huán),比容量仍能保持在9.10 mAh cm-1（電流密度在2.... 

【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：82 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．３鋰硫電池充放電過程示意圖［６］??－

浙江大學碩士學位論文?＾??１．３．１鋰硫電池的簡介??１．３．１．１鋰硫電池的原理??鋰硫電池首次被提出是在十九世紀六十年代［４］，主要由四部分組成：硫正極、鋰金屬??負極、隔離器和鋰硫電解液，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如下圖１．２所示。而正極材料，除了活性??物質(zhì)硫之外，還包括硫載體物質(zhì)、聚合物粘結(jié)劑、導電碳材料這些材料；電解液一般是使??用有機液態(tài)電解質(zhì)。??ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｃｈａｒｇｅ??驗一??Ｃａｒｂｏｎ?ａｄｄｉｔｉｖｅ??圖１．２鋰硫電池結(jié)構(gòu)示意圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｌｉｔｈｉｕｍ－ｓｕｌｆｕｒ?ｂａｔｔｅｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ＾??鋰硫電池的容量主要來源于正極活性硫單質(zhì)與負極鋰金屬發(fā)生的化學反應，即??ｌ６Ｌｉ＋Ｓｘ＾８Ｌｉ２Ｓ，如下圖１．３示。放電過程中，該反應是一個典型的兩步反應，第一步中，??環(huán)狀Ｓｘ分子形成一系列可溶的多硫化物（Ｌｉ２Ｓｘ，４公ｃＳ８）；第二步再沉淀成固態(tài)的放電產(chǎn)物??（Ｌｉ２Ｓ２和Ｌｉ２Ｓ）。第一步放電平臺的電壓區(qū)域在２．３？２．１Ｖ?（ｖｓ丄ｉ＋／Ｌｉ，下同），理論容量??為４１８ｍＡｈｇ－１，第二步放電平臺的低電壓區(qū)域為２．１？１．７Ｖ，理論容量為１２５４?ｍＡｈｇ＿１。該??反應實質(zhì)上是一個多步氧化還原反應，并且伴隨著形態(tài)與結(jié)構(gòu)的變化。??３〇－?Ｓ，＋?１６Ｌｉ．＋?１６ｅ?—?８ＵｊＳ??，Ｓｏｌｉｄ?—？?Ｌｉｑｕｉｄ??？?Ｓｏｌｉｄ??？２．６－?？??ｉ??＞?ｖ?????ｕ：ｓ，ｔｋ＼——??１．８－?Ｌ？八??１６Ｊ???？??Ｓｐｅｃｉｆｉｃ?ｃａｐａｃｉｔｙ?（ｍＡｈ?ｇ?）??圖１．３

浙江大學碩士學位論文???場的集流板組成。質(zhì)子交換膜主要是用來傳遞Ｈ＋、阻止電子的傳遞、隔離陰陽極的；氣??體擴散層主要是用來提供氣體傳輸通道、收集電流、支撐催化劑層和改善水的管理的；而??催化劑層主要是用來發(fā)生電極反應的。??質(zhì)子交換膜??氛氣入口＿１－，?．：■??１?氧氣入口??ｈ?？圓?°２??Ｈ，?〇２??多余氧氣二出口??催化劑Ｌ！?Ｉｅ催化劑??圖１．４質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａ?ｐｒｏｔｏｎ?ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ??質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理為：ｈ２進入陽極后，擴散到達陽極催化劑表面，并在催??化劑的作用下分解形成質(zhì)子和電子，而產(chǎn)生的質(zhì)子和電子一個通過膜到達陰極，一個則沿??著外電路通過負載到達陰極。與此同時，〇２在擴散作用下到達陰極催化劑表面，并與質(zhì)子、??電子在催化作用下發(fā)生氧還原反應（ＯｘｙｇｅｎＲｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ，簡寫：ＯＲＲ）生成水。陰??陽極反應和總反應如下所示：??陽極（氧化反應）：２Ｈ２—４Ｈ＋＋４ｅ－?Ｅ°＝０?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??陰極（還原反應）：〇２＋４Ｈ＋＋４ｅ－—２Ｈ２〇?Ｅ°＝ｌ?．２３?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??總反應：２Ｈ２＋〇２—２丨七Ｏ?Ｅ°＝ｌ．２３?Ｖ?ｖｓ．ＲＨＥ??氧還原反應是質(zhì)子交換膜燃料電池陰極的主要反應，該反應的缺點是過程復雜、中間??產(chǎn)物多，而且其反應速率比陽極Ｈ２的還原反應低很多，這也是低溫燃料電池效率損失的??原因，損失率可能占到整體電池效率損失的８０％［４叱因此，推進燃料

【參考文獻】：
期刊論文
[1]面向資源和環(huán)境的石油化工技術創(chuàng)新與展望[J]. 陳昌萬.  云南化工. 2017(12)
[2]試論我國石化行業(yè)的環(huán)�，F(xiàn)狀及治理技術[J]. 劉汝斌.  化工管理. 2017(11)

博士論文
[1]網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)碳/硫復合材料的制備及其在鋰硫電池中的電化學性能研究[D]. 苗力孝.北京理工大學 2014

碩士論文
[1]鋰離子電池Li-Mn-O系正極材料的制備和改性研究[D]. 路中培.江蘇大學 2017



本文編號：3493239