【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(diǎn),能夠緩解日益突出的能源和環(huán)境問(wèn)題,但其陰極緩慢的動(dòng)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(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)高效、易于規(guī)�；难蹼姌O催化劑。相對(duì)貴金屬,儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜的過(guò)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(diǎn),但目前研究者們大多使用高污染的有機(jī)溶劑電紡體系制備碳纖維材料,因此,開(kāi)發(fā)無(wú)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?jī)r(jià)值和實(shí)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(lái)制備碳基納米纖維;通過(guò)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(jì)慢速升溫、恒溫?zé)峤獬绦?來(lái)控制金屬在納米纖維熱解過(guò)程中的團(tuán)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?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:(1)通過(guò)理性分析各前驅(qū)物的性質(zhì)和各組分的比列變化對(duì)靜電紡絲工藝參數(shù)的影響,合理設(shè)計(jì)邊界條件和探索實(shí)驗(yàn),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(guò)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(dòng)力學(xué)電流密度達(dá)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(duì)所得纖維中CoFe合金顆粒和CoFe_2O_4顆粒粒徑、及其對(duì)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(yáng)極（anode），空子電解質(zhì)，隔膜。常見(jiàn)的陽(yáng)極金屬通常采用-空氣電池可以分為兩種類(lèi)型：一種使用含使用有機(jī)電解質(zhì)，如有機(jī)體系或有機(jī)-水混在放電過(guò)程中，金屬陽(yáng)極被氧化并將電子陽(yáng)極的電子并被還原成含氧物質(zhì)。氧還原物并與對(duì)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(jī)理還原反應(yīng)機(jī)理原的電化學(xué)過(guò)程比較復(fù)雜，涉及幾個(gè)基本步驟的多電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。的模型是 Wroblowa 提出的通過(guò)“直接四電子”或“兩步過(guò)氧化物”過(guò)簡(jiǎn)化途徑[11]。如圖 1-3（a）所示， O2可以直接通過(guò) 4 電子過(guò)程還學(xué)速率常數(shù)為 k1�；蛘�，，它可以以 2 電子過(guò)程還原為吸附的 H2O k2，隨后，H2O2可以以速率常數(shù) k3進(jìn)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(guò)程進(jìn)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM911.4;TQ340.1

【參考文獻(xiàn)】

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

本文編號(hào)：2641629