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题名:
离子液体辅助制备金属空气电池阴极催化剂的研究
作者: 倪文鹏1,2
导师: 邓友全
专业分类: 物理化学
关键词: 电催化 ; 离子液体 ; 金属空气电池 ; 阴极催化剂 ; electrocatalysis ; ionic liquids ; metal-air batteries ; cathode catalysts
摘要:

    金属空气电池由于其较高的能量密度受到广泛的关注,其中锂空气电池、锌空气电池的研究取得了长足的发展。然而,电解液的稳定性、阴极催化剂的催化活性等仍然是制约金属空气电池性能的关键因素。目前,常用的空气电极催化剂有贵金属类化合物、过渡金属氧化物、碳基材料等。另外,离子液体作为一类新颖的功能材料,在能源相关领域中的应用由来已久,既可以作为制备空气电极催化剂的前驱体、调节剂等,也可以作为电解液使用。基于此,本论文使用离子液体作为前驱体或调节剂制备了三种过渡金属与碳材料的复合催化剂并作为锂空气电池和锌空气电池的阴极催化剂。同时,当离子液体作为电解液时,其杂质含量对电化学性质有较大的影响,所以发展了一种咪唑类离子液体中1-甲基咪唑含量的检测方法。主要内容和结论如下:

    1、钴基氧化物被认为是有效的氧析出反应的催化剂,结合离子液体作为前驱体制备杂原子掺杂碳材料的优势,使用1-丁基-3-甲基咪唑四氯化钴盐作为前驱体、二氧化硅作为硬模版制备了氮掺杂的介孔碳负载的CoO@Co纳米粒子。该催化剂对氧析出过程具有良好的催化效果,使用该催化剂的锂氧气电池在电流密度为100 mAg-1时的充电电压仅为3.75 V。同时,库伦效率、倍率性能和循环稳定性都得到了增强。

    2、由于碳材料表面的含氧官能团不利于锂氧气电池充电电压的降低,利用聚合的1-乙烯基-3-乙基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐将碳纳米管包裹后,利用咪唑阳离子与高锰酸钾的反应得到二氧化锰,使用该方法可以避免或较少碳纳米管与高锰酸钾的直接反应,从而减少了含氧官能团的生成。由于二氧化锰的催化活性和较少的含氧官能团的协同作用,使得基于该催化剂的锂氧气电池的充放电过电势降低至0.97 V。

    3、磷化钴对多种电化学反应具有催化活性,其中就包括氧还原反应,同时多杂原子掺杂的碳材料也是一类高活性的氧还原催化剂。所以,使用四丁基膦六氟磷酸盐作为磷源和杂原子前驱体,与少量的ZIF-67和二腈二胺一起制备了磷化钴和N、P、F三掺杂的介孔碳复合物。该催化剂的半波电位为0.86 V(vsRHE),比Pt/C的半波电位要高30 mV。使用该催化剂的锌空气电池在电流密度为50 mAcm-2时的放电电压为1.1 V,放电容量为800 mAhg-1Zn,最高的功率密度达到180 mWcm-2

    4、离子液体中杂质的含量对于基于离子液体的电化学器件的性能有较大的影响,然而对于离子液体中微量杂质的检测仍然较为困难,对于残留的有机原料的检测方法更是少之又少。由于1-甲基咪唑的循环伏安曲线中有两个氧化峰,本论文基于这两个氧化峰使用循环伏安法对咪唑类离子液体中1-甲基咪唑的定量检测进行了研究。可以发现,最低检测限可达到20-35 ppm,但卤素离子的存在会影响该方法的检测限。

授予地点: 北京
答辩日期: 2017-11-24
授予单位: 中国科学院大学
学位: 理学博士
所属部门: OSSO国家重点实验室
所属课题: 绿色催化研究组
研究方向: 电催化
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.licp.ac.cn/handle/362003/22845
Appears in Collections:OSSO国家重点实验室_学位论文

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201781倪文鹏.pdf(8088KB)学位论文--暂不开放 联系获取全文

作者单位: 1.中国科学院兰州化学物理研究所
2.中国科学院大学

Recommended Citation:
倪文鹏. 离子液体辅助制备金属空气电池阴极催化剂的研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017-11-24.
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