可充锌空气电池一体化空气电极研究进展

可充锌空气电池具有比能量高、工作电压稳定、安全性好、无环境污染等优势,被人们认为是最有前景的绿色能源装置之一。然而,可充锌空气电池的空气电极在充放电过程中需要发生可逆的氧还原和氧析出反应。由于该类反应涉及固-液-气三相界面,因此动力学过程非常缓慢。所以,设计具有高效催化作用的空气电极尤为重要。本论文从可充锌空气电池原理和空气电极结构出发,介绍了传统空气电极与一体化空气电极的结构特点和性能差异。通过对近几年的可充锌空气电池一体化空气电极相关文献的探讨,本文综述了不同导电基底和催化剂组成的一体化空气电极的制备及其锌空气电池性能的研究进展。着重对碳基和金属基一体化电极的优缺点和存在的问题进行总结,提出了这两种电极未来的优化改进方向。进一步介绍了空气电极三相界面结构的重要性和改进策略,分析表明,构建合理的三相界面能够有效提高电化学反应的传输动力学。最后对可充锌空气电池在实用化进程中需要解决的难点问题进行了总结和展望。

空气电极碳基催化剂研究进展

金属空气电池具有高能量密度与低成本等优点,被认为是最具有发展前进的绿色清洁能源之一。反应的持续进行需要催化剂从中催化,常以贵金属、非贵金属、过渡金属氧化物与碳材料为主。其中,碳材料具有低廉的价格、良好的稳定性与氧还原性能,易与其他元素进行掺杂等优势,碳基复合催化剂在空气电极领域备受关注。基于空气电极中发生的氧还原反应机理,详细介绍了近年来炭黑、介孔碳、碳纳米管、碳纳米纤维与石墨烯等碳材料复合催化剂在气体扩散电极领域的研究进展,为未来碳基催化剂的开发与应用提出了新方向。

中性铝空电池空气电极寿命的影响因素

金属空气电池是一种将化学能转化为电能的发电装置,与燃料电池类似,铝空电池是以铝板为阳极,空气中氧气为阴极的新型电源。空气电极是电池的核心部分。目前,国内对于中性电极寿命影响因素鲜有归纳和验证。本文围绕不同制备工艺进行对比验证,结果发现催化膜挤料0次+压制30次时电极表面不易起泡;催化膜中PTFE质量比≤20%时能获得较好的放电性能;合膜压力20MPa时,电极放电性能最佳,合膜时间随电极面积的增大适当延长;锰基碳复合空气电极不适合进行热处理。

多壁纳米碳管空气电极的交流阻抗研究

研究了多壁纳米碳管、活性炭和石墨等空气电极的交流阻抗特性 .结果表明 ,纳米碳管空气电极的阻抗谱由两个半圆组成 ,高频区半圆对应欧姆极化阻抗 ,低频区半圆对应电化学极化阻抗 .催化剂 Pt以纳米颗粒的形式沉积在碳管的外表面 ,明显减小了电极的欧姆阻抗和电化学极化阻抗 ,提高了氧还原反应的电催化活性 .活性炭电极除存在电化学阻抗外 ,还存在薄液膜扩散阻抗 ( Nernst扩散 ) ,石墨电极形成的薄液膜反应区域较小 ,电极反应呈 Warburg扩散阻抗特征 ,相应的电催化活性较低 .采用交流阻抗等效电路分析方法 ,对拟合的动力学数据进行了解释 .

纳米碳管空气电极在氧还原反应中的电催化性能

以活性炭、纳米碳管为催化层电极材料制备了空气电极 ,测定了稳态极化曲线和交流阻抗。研究发现 ,催化层中纳米碳管的含量对氧的电还原反应有显著影响 ,m(活性炭 )∶ m(纳米碳管 ) =5 0∶ 5 0的空气电极催化活性最高 ,在过电位 ηc 为 40 0～ 60 0 m V时 ,输出电流可达 0 .3～ 0 .5 A/ cm2。EIS测试结果表明 ,不同质量比的活性炭 /纳米碳管空气电极阻抗谱均由 2个半圆弧组成 ,高频区半圆对应欧姆极化阻抗 ,低频区半圆对应氧还原反应的法拉弟阻抗 ,催化层中加入纳米碳管明显减小了电极的欧姆阻抗和法拉第阻抗 ,提高了氧还原反应的催化活性 ,电极过程受氧在薄液膜中的扩散控制 ,单纯纳米碳管形成的催化层多孔结构较容易被电解液渗透 ,界面还存在 Warburg扩散阻抗 ,相应的电催化活性较低。提出了空气电极的等效电路 。

空气电极改性TiO_2光催化剂的研究

将 Ti O2 / C光催化剂负载在具有合成 H2 O2 性能的空气电极上形成双功能新型复合电极 .Ti O2 / C光催化层的微多孔特性使新型载体保持了高效合成 H2 O2 的优势 ,J=1 5 m A/ cm2 时 ,电流效率达到 82 % .新型载体又为 Ti O2 / C光催化剂获得了阳极偏压 ,有利于将光生电子迅速导入载体 ,减少了光生载流子的复合 .在新型光催化体系中 ,光化学氧化作用与光催化氧化作用有机地统一在同一电极 /溶液界面附近 ,造成了该界面的强氧化环境 ,从而使有机分子的氧化降解速度得到显著提高 .

PAFC空气电极催化层相界面结构分析

提出一个考虑了催化层中电压不均匀分布，可以在任意气体压力ｐ、输出电流密度Ｉ工作条件下，表征ＰＡＦＣ空气电极行为的数学模型．发现表征“气／液”相界面比表面的参数ＡＢ与Ｉ在不同的ｐ下呈不同的线性关系．其中在较低的压力下ＡＢ对Ｉ有较深的依赖关系，而在较高的压力ｐ下，ＡＢ趋向与Ｉ无关．表征“液／固”界面的参数ＡＩ在不同ｐ、Ｉ下基本保持不变．利用所构建的数学模型对ＰＡＦＣ空气电极中催化反应层内Ｏ２电化学还原速率进行了定量分析．结果表明，大电流下运行的空气电极，其主要的电极反应发生在“扩散层／催化层”交界处的催化反应层中，意味着厚的催化反应层是不必要的．

碳粉表面自由能对空气电极成膜的影响

在粉末接触角测试的基础上,用Wu方程估算了硝酸氧化或肼还原前后,活性炭和乙炔黑的表面自由能(简称表面能)。活性炭的表面能及其色散、极性分量分别为27.01 mJ/m2、1.93 mJ/m2和25.07 mJ/m2,硝酸氧化对活性炭表面能及分量的影响不大,而肼还原可使色散分量增加420%,极性分量降低30%;乙炔黑的表面能及色散、极性分量分别为25.24mJ/m2、10.77 mJ/m2和14.47 mJ/m2,用硝酸或肼处理,对色散分量影响较小,但两者均引起极性分量增加,分别为96%和67%。碳粉表面能的色散分量增加及极性分量降低,都将增加碳粉与PTFE之间的粘附功,有利于空气电极薄膜化。

聚四氟乙烯对空气电极防水透气膜性能的影响

对以聚四氟乙烯(PTFE)为原料的憎水型空气电极的防水透气膜的制备工艺进行了深入研究.以稳态电流-电压极化曲线的方法对不同防水透气膜电化学性能进行测试,用透气率测量装置对防水膜透气性能进行测试,并用扫描电镜对防水透气膜的表观形貌进行观察,采用以空气电极为阴极,钢板为阳极的电解装置对空气电极寿命进行测试.结果表明:防水透气膜中PTFE的最佳含量在60%～70%范围内,采用热处理工艺后,防水透气膜的孔径分布更加均匀,防水透气膜的透气性能提高,空气电极极化明显减小.电极稳定运行800 h.

聚苯胺对MnO_2空气电极性能影响的研究

研究了添加聚苯胺对MnO2空气电极性能的影响,并考察了含聚苯胺的空气电极在不同电解液中的性能变化。结果表明,在5 mol/L的氯化铵电解液中,聚苯胺的加入可大幅度提高空气电极性能,并得到聚苯胺与MnO2催化剂的最佳质量配比为0.3∶1。分析认为,聚苯胺与氧分子间存在的顺磁相互作用,使得O2在催化层中的含量增大,阻止了MnO2催化剂因转变成MnOOH而失活。在0.9 mol/L氯化钠电解液中,聚苯胺的导电性能下降,导致电极欧姆极化增大,性能降低,但加入少量的全氟磺酸可改善电极性能。

空气电极/AC作载体对TiO_2光催化性能的影响

研究了空气电极和活性碳 (AC)作载体对TiO2 光催化氧化活性艳红 (K 2BP)性能的影响 .实验结果表明 ,用空气电极 /AC作载体能显著提高TiO2 的光催化反应速度 ;空气电极不仅具有良好的合成H2 O2 的性能 ,而且对TiO2 光催化剂可产生大约 +0 .5V的偏压作用 ,大大减小了TiO2 光生电荷的复合几率 ;AC对有机物分子良好的吸附作用提高了有机物分子在TiO2 表面及周围的富集浓度 ,其含量在 2 1%左右可使光催化剂达到最佳的催化效果 .复合电极工作电流密度对活性艳红的氧化脱色速度有影响 ,i=15mA/cm2 ,速度达到最大 ;活性艳红分子在复合电极表面的吸附受溶液pH值的影响 ;提出了复合电极的工作原理 .

造孔剂对空气电极电性能的影响

为研究造孔剂的种类、含量对锌空电池空气电极电性能的影响,分别对添加不同用量的聚乙二醇200(PEG200)、(NH4)2C2O4和NH4HCO3等3种造孔剂的空气电极进行透气性能和稳态电流-电压极化曲线的测试,并用扫描电镜(SEM)对其防水透气膜和催化膜的表观形貌进行观察,研究结果表明:采用热分解造孔方法,在这3种造孔剂中PEG200的造孔效果最好;在防水透气膜和催化膜中分别添加质量分数为7.5%、15%的PEG200,所得空气电极在相同电位下的极化电流最大;由SEM观察可见:PEG200含量分别为7.5%、15%的防水透气膜和催化膜微孔的孔径分布更加均匀、孔隙率更大。

空气电极对锂空气电池放电性能的影响

研究了GNSs(石墨烯)、Super P炭黑、VGCF(气相沉积碳纤维)等三种具有不同形貌的碳基材料对锂空气电池放电容量的影响,并以Super P炭黑为碳基材料,分别考察了碳负载量和粘结剂含量对锂空气电池放电性能的影响。为了进一步研究限制锂空气电池放电性能的因素,采用水热法合成了具有高比表面积的空心刺球状α-MnO2,制备了SuperP/α-MnO2/PVDF复合空气电极,考察了锂空气电池放电过程中的速率控制步骤。

PAFC空气电极气体扩散层数学模型与数值分析

A mathematic model is used to describe the mass transfer of mulfticomponents [O2, H2O(g), N2] in the gas diffusion layer of air electrodes of phosphoric acid fuel cells (PAFC). A program of solving this mathematic model is designed with FORTRAN77. The main factors effecting the efficiency of mass transfer in gas diffusion layer are predicted by means of the numberical analysis of the proposed model. The range of these fartors allowed to change is also determined.

锌空气电池空气电极催化材料的研究

采用将Li2CO3,电解二氧化锰(EMD)和Co(NO3)2·6H2O混合进行高温固熔反应的合成方法,制备了1种尖晶石型金属氧化物催化材料LiMn2-xCoxO4。通过电化学测试(极化曲线、放电曲线)、X射线衍射分析(XRD)以及扫描电镜(SEM)等方法对电极的微观结构和性能进行了研究。实验结果表明,以LiMn1.95Co0.05O4为催化材料的气体扩散电极具有最好的综合电化学性能。其0.9V极化电位时的最大电流密度可达210mA/cm2AA型(5号)样品电池以100mA电流恒流放电,容量可高达4439mAh。

气体扩散层对空气电极寿命的影响

以乙炔黑、60%PTFE乳液为原料,用辊压法制备空气电极的气体扩散层。研究了烧结与未烧结气体扩散层的性能参数及其对空气电极寿命的影响。用压汞分析法和SEM研究了气体扩散层的孔结构及形貌。结果表明:相对未烧结扩散层的空气电极,烧结扩散层的空气电极寿命更长,1 000 h寿命试验中无渗液现象,且性能较好。烧结提高了电极材料的疏水性和孔隙率。烧结后气体扩散层适宜的孔结构为:孔隙率约为70%,平均孔径约为70 nm。

SOFC燃料电池空气电极材料──La_（1－X）Sr_xMnO_3粉体的制备及

本文报导了用络合法制备Ｌａ＿（１－ｘ）Ｓｒ＿ｘＭｎＯ＿３粉体所进行的研究工作。探讨了干燥过程、热分解温度及氧化结晶温度对粉体性能的影响。利用ｘ光衍射、ＤＴＡ进行了对粉体的干燥、热分解过程及相态的分析。测定了粉体的颗粒度分布。从而选定最佳工艺制备成功固体氧化物电解质燃料电池的空气电极材料。

Pt/纳米碳管空气电极氧还原反应的电催化性能

以不同质量比的铂、纳米碳管、活性碳为催化层制备空气电极并测定其稳态极化曲线和交流阻抗.研究发现,纳米碳管经硝酸处理后其氧还原反应性能得到提高,特别是将表面氧化后再沉积Pt,对氧的电还原反应影响更显著.以质量比4∶1的活性碳/纳米碳管载Pt制备的空气电极,在过电位ηc为500～600mV下,氧还原电流可达600～700mA·cm-2.EIS测试表明,纳米碳管载Pt后的欧姆极化阻抗和电化学阻抗均非常小.

金属-空气电池中空气电极的研究进展

介绍了清洁高效的金属空气电池的基本原理、结构以及特点。空气电极由防水透气层、活性催化层以及集流体组成,分别解释了它们的基本功能与原理。综述了近些年来空气电极的研究进展,并对不同的空气电极制备工艺及其性能进行了详细讨论。介绍了不同种类氧还原反应(ORR)催化剂的催化性能,展望了今后空气电极及其催化剂的发展方向。

空气电极催化剂的掺杂改性

研究了在空气电极的催化层中添加其它化合物对锰系催化剂的影响,并在碱性介质中以金属铝为阳极组成碱性铝-空气电池,考察了电池的放电性能。实验结果表明,NiSO4和La2O3作为催化层的添加剂可以提高催化剂对氧气还原的催化活性,是空气电极较理想的添加剂,并通过正交实验得出高性能催化剂的最佳制备条件。