過渡金屬基材料在鋅-空氣電池中的應用
發(fā)布時間：2021-08-27 16:34
發(fā)展和制備高效、經濟、穩(wěn)定的電催化劑是實現(xiàn)高效能源轉化和儲存的有效途徑之一。在目前已知的儲能裝置中,鋅-空氣電池（ZABs）由于具有低成本、容量大、壽命長等優(yōu)點而廣受研究。然而,陰極材料的緩慢動力學反應(氧還原（ORR）和氧析出（OER）阻礙了ZABs的進一步發(fā)展。鉑或銥基納米材料是一類高效的ORR或OER催化劑,但其廣泛商業(yè)應用仍然受到其高成本和低耐久性的限制。因此,開發(fā)高效、經濟、雙功能ORR/OER的ZABs陰極催化劑材料迫在眉睫。過渡金屬基材料滿足及高效的氧電催化反應要求,是研究者普遍認為的一種雙功能催化劑,而對其納米結構的合理設計可以有效改善材料的導電性和催化活性,從而進一步優(yōu)化其氧電催化性能。本文通過表界面工程,通過設計過渡金屬基多相結構來改善材料的電子結構和氧電催化性能,從而實現(xiàn)其在ZABs中的高效利用。本論文的主要研究內容和結論如下:1.制備了N摻雜石墨烯（N-C）包覆的FeNi合金催化劑。由于其特殊的核殼結構,FeNi@N-C作為氧電催化劑具有優(yōu)異的雙功能OER和ORR電催化活性。FeNi@N-C基的液態(tài)鋅-空氣電池的開路電壓可達到1.48 V。并且在電流密度為20 ...
【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：132 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
各種可充和金屬空氣電池的重量能量密度和體能量密度[37]
蘭州大學博士學位論文過渡金屬基材料在鋅-空氣電池中的應用3幾年后，Walker采用了一個簡單的氣體擴散電極，氫氧化鉀作為電解液，鎳和炭黑作為多孔氣體擴散電極組裝成Walker–Wilkins電池[41]。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)空氣中的氧氣是該類空氣電池的反應物，并且對大比表面積和高化學活性的空氣電極材料產生了更清晰的認知。從20世紀30年代開始，隨著氣體擴散電極的不斷改進和發(fā)展，一種初級鋅空氣電池被應用于商業(yè)生產，并在70年代應用于助聽器中。如今，鋅空氣電池的應用已經擴展到地震遙測，鐵路信號，導航浮標，遠程通信，電動汽車和電網等多個領域[42-44]。由于鋅的不均勻沉積，特別是空氣電極上的析氧反應(OER)和氧還原反應(ORR)的緩慢反應速率，阻礙了可充電鋅空氣電池的的進一步發(fā)展[17]。雖然，從1975年到2000年，有很多關于鋅空氣電池的研究，但是在20世紀末，鋰離子電池的出現(xiàn)和快速的發(fā)展，削弱了研究人員的熱情。最近幾年，隨著鋰離子電池暴露出如安全性低、成本高、能量密度小等缺陷，鋅空氣電池再一次走進研究者的視野。諸如EOS儲能、Fluidic能源、ZincNyx能源的許多公司參與相關研究，并做了很多出色的工作[45]。盡管如此，作為一種極具發(fā)展前景的能量轉換和存儲技術，可充電鋅空氣電池仍處于起步階段。因此，開發(fā)優(yōu)異電化學性能的可充鋅空氣電池在柔性和可穿戴電子器件中的相關研究越來越多。圖1.2鋅基電池的發(fā)展歷程[46]
蘭州大學博士學位論文過渡金屬基材料在鋅-空氣電池中的應用41.2.2鋅空氣電池的工作原理圖1.3鋅-空氣電池的示意圖以及組成部分[47]如圖1.3所示。鋅空氣電池由金屬鋅電極、隔膜和空氣電極組成，與電解液封裝在一起。金屬鋅陽極與空氣陰極之間通過氧化還原反應產生電流[48]。金屬鋅電極決定電池的容量，因此它應當具有高活性和高效充電能力，并使電池保持幾百次充放電的能力[49]。電解液對鋅電極應當具有適宜的活性，并具有良好的導電性以及與空氣電極充分接觸的能力[18]。鋅空氣電池在充放電過程中所涉及的陰陽極反應過程如下：鋅空氣電池在放電過程中電極發(fā)生的電化學反應：鋅陽極：2Zn+4OH--2e-→Zn(OH)4-→ZnO+2H2O(1-1)空氣陰極：O2+4e-+2H2O→4OH-(1-2)總反應：2Zn+O2→2ZnO(1-3)副反應：Zn+2H2O→Zn(OH)2+H2(1-4)鋅空氣電池在充電過程中電極發(fā)生的電化學反應：鋅陽極：ZnO+2H2O→Zn+4OH-+2e-(1-5)空氣陰極：4OH-→O2+4e-+2H2O(1-6)總反應：2ZnO→2Zn+O2(1-7)1.3鋅空氣電池的幾個重要參數的理論值計算開路電壓：陰極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-E0=0.401V(1-8)陽極：Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-E0=-1.245V(1-9)總反應：Zn+1/2O2→ZnOE0=1.646V(1-10)根據上述反應式可以寫出鋅空氣電池的電動勢：
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Recent Progress on Zinc?Ion Rechargeable Batteries[J]. Wangwang Xu,Ying Wang. Nano-Micro Letters. 2019(04)
[2]Hollow Nanocages of NixCo1-xSe for Efficient Zinc–Air Batteries and Overall Water Splitting[J]. Zhengxin Qian,Yinghuan Chen,Zhenghua Tang,Zhen Liu,Xiufang Wang,Yong Tian,Wei Gao. Nano-Micro Letters. 2019(02)
[3]In Situ Coupling Strategy for Anchoring Monodisperse Co9S8 Nanoparticles on S and N Dual?Doped Graphene as a Bifunctional Electrocatalyst for Rechargeable Zn–Air Battery[J]. Qi Shao,Jiaqi Liu,Qiong Wu,Qiang Li,Heng-guo Wang,Yanhui Li,Qian Duan. Nano-Micro Letters. 2019(01)
[4]Bimetallic Nickel Cobalt Sulfide as E cient Electrocatalyst for Zn–Air Battery and Water Splitting[J]. Jingyan Zhang,Xiaowan Bai,Tongtong Wang,Wen Xiao,Pinxian Xi,Jinlan Wang,Daqiang Gao,John Wang. Nano-Micro Letters. 2019(01)
本文編號：3366706
【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：132 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
各種可充和金屬空氣電池的重量能量密度和體能量密度[37]
蘭州大學博士學位論文過渡金屬基材料在鋅-空氣電池中的應用3幾年后，Walker采用了一個簡單的氣體擴散電極，氫氧化鉀作為電解液，鎳和炭黑作為多孔氣體擴散電極組裝成Walker–Wilkins電池[41]。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)空氣中的氧氣是該類空氣電池的反應物，并且對大比表面積和高化學活性的空氣電極材料產生了更清晰的認知。從20世紀30年代開始，隨著氣體擴散電極的不斷改進和發(fā)展，一種初級鋅空氣電池被應用于商業(yè)生產，并在70年代應用于助聽器中。如今，鋅空氣電池的應用已經擴展到地震遙測，鐵路信號，導航浮標，遠程通信，電動汽車和電網等多個領域[42-44]。由于鋅的不均勻沉積，特別是空氣電極上的析氧反應(OER)和氧還原反應(ORR)的緩慢反應速率，阻礙了可充電鋅空氣電池的的進一步發(fā)展[17]。雖然，從1975年到2000年，有很多關于鋅空氣電池的研究，但是在20世紀末，鋰離子電池的出現(xiàn)和快速的發(fā)展，削弱了研究人員的熱情。最近幾年，隨著鋰離子電池暴露出如安全性低、成本高、能量密度小等缺陷，鋅空氣電池再一次走進研究者的視野。諸如EOS儲能、Fluidic能源、ZincNyx能源的許多公司參與相關研究，并做了很多出色的工作[45]。盡管如此，作為一種極具發(fā)展前景的能量轉換和存儲技術，可充電鋅空氣電池仍處于起步階段。因此，開發(fā)優(yōu)異電化學性能的可充鋅空氣電池在柔性和可穿戴電子器件中的相關研究越來越多。圖1.2鋅基電池的發(fā)展歷程[46]
蘭州大學博士學位論文過渡金屬基材料在鋅-空氣電池中的應用41.2.2鋅空氣電池的工作原理圖1.3鋅-空氣電池的示意圖以及組成部分[47]如圖1.3所示。鋅空氣電池由金屬鋅電極、隔膜和空氣電極組成，與電解液封裝在一起。金屬鋅陽極與空氣陰極之間通過氧化還原反應產生電流[48]。金屬鋅電極決定電池的容量，因此它應當具有高活性和高效充電能力，并使電池保持幾百次充放電的能力[49]。電解液對鋅電極應當具有適宜的活性，并具有良好的導電性以及與空氣電極充分接觸的能力[18]。鋅空氣電池在充放電過程中所涉及的陰陽極反應過程如下：鋅空氣電池在放電過程中電極發(fā)生的電化學反應：鋅陽極：2Zn+4OH--2e-→Zn(OH)4-→ZnO+2H2O(1-1)空氣陰極：O2+4e-+2H2O→4OH-(1-2)總反應：2Zn+O2→2ZnO(1-3)副反應：Zn+2H2O→Zn(OH)2+H2(1-4)鋅空氣電池在充電過程中電極發(fā)生的電化學反應：鋅陽極：ZnO+2H2O→Zn+4OH-+2e-(1-5)空氣陰極：4OH-→O2+4e-+2H2O(1-6)總反應：2ZnO→2Zn+O2(1-7)1.3鋅空氣電池的幾個重要參數的理論值計算開路電壓：陰極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-E0=0.401V(1-8)陽極：Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-E0=-1.245V(1-9)總反應：Zn+1/2O2→ZnOE0=1.646V(1-10)根據上述反應式可以寫出鋅空氣電池的電動勢：
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Recent Progress on Zinc?Ion Rechargeable Batteries[J]. Wangwang Xu,Ying Wang. Nano-Micro Letters. 2019(04)
[2]Hollow Nanocages of NixCo1-xSe for Efficient Zinc–Air Batteries and Overall Water Splitting[J]. Zhengxin Qian,Yinghuan Chen,Zhenghua Tang,Zhen Liu,Xiufang Wang,Yong Tian,Wei Gao. Nano-Micro Letters. 2019(02)
[3]In Situ Coupling Strategy for Anchoring Monodisperse Co9S8 Nanoparticles on S and N Dual?Doped Graphene as a Bifunctional Electrocatalyst for Rechargeable Zn–Air Battery[J]. Qi Shao,Jiaqi Liu,Qiong Wu,Qiang Li,Heng-guo Wang,Yanhui Li,Qian Duan. Nano-Micro Letters. 2019(01)
[4]Bimetallic Nickel Cobalt Sulfide as E cient Electrocatalyst for Zn–Air Battery and Water Splitting[J]. Jingyan Zhang,Xiaowan Bai,Tongtong Wang,Wen Xiao,Pinxian Xi,Jinlan Wang,Daqiang Gao,John Wang. Nano-Micro Letters. 2019(01)
本文編號：3366706
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