碳载锰氧化物催化剂的掺杂改性

为提高MnO2催化剂对氧气还原的催化活性,将硝酸锰、硝酸钴、硝酸镧溶液浸渍到碳材料中,于340℃下焙烧2 h,得到空气电极催化剂,通过冷压法制作气体扩散电极。采用阴极极化曲线、稳态恒电流法和交流阻抗等方法测试了各个空气电极的电化学性能。结果表明,当催化剂中金属元素Mn、La、Co的摩尔比为1∶0.4∶0.6时,空气电极的催化活性最佳,在100,200 mA/cm2两种电流密度下,电极的工作电压平台都比MnO2电极要高,掺杂氧化镧和氧化钴还可以提高氧还原反应中催化剂在大电流密度下的稳定性。氧化镧和氧化钴的加入,减小了电化学反应动力学阻抗和氧的扩散阻抗。组装铝空气电池并进行放电测试发现,放电平台比较稳定,氧化镧和氧化钴的掺杂能显著地提高电池的放电电压。     

碳毡负载Sn气体扩散电极CO2电化学还原性能

针对CO₂电化学还原中气体扩散电极可强化CO₂的传质,基于碳毡制备了负载锡-石墨烯催化层的新型气体扩散电极,研究了CO₂反应条件、电极厚度、催化剂载量及反应电位对CO₂电化学还原性能的影响。实验结果表明：与溶解态CO₂反应条件相比,采用气相CO₂反应条件电化学还原性能更好;一定范围内增加电极厚度和催化剂载量可以增加气-液-固三相反应界面,提升CO₂电化学还原性能;随着电解电位负移,甲酸产量增加,电流效率先增大后减小;实验中使用厚度为5 mm、载量为5 mg·cm^-2的电极,在-1.8 V（vs Ag/AgCl）条件下进行电化学还原时,平均电流密度为（12.79±1.27） mA·cm^-2,甲酸电流效率达到最佳为41.55%±2.50%。     

球形团聚物模型在质子交换膜燃料电池过程模拟中的应用

在建立直通道质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维全电池数学模型中,将球形团聚物模型应用至两极的催化剂层。通过调节团聚物中质子传导介质的比例和催化层孔隙率,预测了基准供气状态下单电池的极化曲线,与文献报道的实验数据吻合良好。研究了电池运行过程中,膜电极内各化学组分和电流密度的分布情况及流向,比较了不同供气压力、催化剂铂颗粒尺寸等参数对电池性能的影响。计算结果表明,在阴极及时排出反应产生的水,并在阳极对燃料气进行加湿是保证单电池正常运行的前提,提高阴极的氧化剂气体压力,可显著改善PEMFC单电池性能,特别是在受浓差极化影响较大的大电流密度区;在催化剂铂载量相同的情况下,减小铂颗粒的尺寸可以提高电池的性能。     

锌-空气电池Co-PPy-C复合催化剂的电化学性能研究

采用化学氧化聚合法合成了以碳为载体的钴-聚吡咯(PPy)配合物Co-PPy-C,作为气体扩散电极的氧还原催化剂。利用极化曲线、交流阻抗、计时电流等电化学方法测试了其在碱性介质中(6 mol/L KOH)氧气气氛条件下氧还原的催化性能。电极电位在-0.20 V vs.Hg/HgO时,催化剂电流密度达到158 mA/cm2,显示出优越的氧还原电催化性能;采取催化层/集流体/气体扩散层的排布方式,以纯锌为负极,6 mol/L的KOH为电解液,将气体扩散电极与锌负极组装成锌-空气电池。电池以80 mA/cm2进行恒流放电,放电电压为1.0 V,且性能稳定。     

微生物燃料电池中阴极长期运行的性能分析

微生物燃料电池（MFC）阴极性能在长期运行过程中逐渐下降,查明其下降原因对MFC技术的实际应用具有重要意义。采用泡沫镍阴极研究了阴极长期运行过程中阴极下降的原因。研究发现：MFC运行4个月之后功率密度相比运行1周的MFC下降达22%,测试电极极化曲线发现阴极性能的下降是导致MFC功率密度下降的主要因素。线性伏安扫描（LSV）结果显示：运行初期在-0.2 V电势下阴极电流密度为12.3 A·m^-2,而运行4个月后,阴极电流密度下降为4.2 A·m^-2,阴极性能随运行时间增加而降低主要表现在大电流区域[>-0.05 V （vs Ag/AgCl）]。对阴极表面和内部进行扫描电子电镜（SEM）分析发现：阴极表面没有明显的生物膜,氧扩散实验发现阴极氧扩散量明显降低是造成阴极性能下降的主要原因;通过能谱分析（EDS）可知阴极内部有磷酸盐析出。这些结果说明阴极内部在长期运行过程中逐渐析盐,而析盐导致泡沫镍阴极内孔隙堵塞,阻碍氧扩散到催化层,从而使阴极性能降低。     

氧化锰基电催化材料的设计合成及其铝空气电池应用

电催化剂作为铝空气电池阴极的核心部分,其催化性能的优劣直接影响铝空气电池的产业化进程。本文采用尿素高温处理法将商业的Vulcan-72XC碳材料进行掺氮改性处理制备了N/VC₂。在此基础上,进一步负载不同的锰氧化物得到三种Mn₃O₄@N/VC₂、MnO@N/VC₂和MnO₂@N/VC₂复合材料。其中,MnO₂@N/VC₂具有最优的氧还原反应(ORR)催化性能,起始电位高达0.872 V。作为铝空气电池阴极催化剂,在大电流密度下放电功率密度可达到136 mW·cm^-2。本文通过对比分析不同氧化锰基复合材料的电催化性能,研究了碳载体和锰氧化物之间的交互作用。结果表明,多孔结构和丰富缺陷位点的协同作用是提高材料催化活性的主要原因。该工作为锰基氧化物催化剂的研发提供理论依据。     

活性炭空气阴极微生物燃料电池的放大和串并联组合研究

采用体积分别为28 mL(mL-MFC)和4.5 L(L-MFC)的单室空气阴极微生物燃料电池,考察了扩大化对活性炭空气阴极性能的影响.mL-MFC的最大功率密度为30 W/m3(1 200 mW/m2),L-MFC的最大功率密度为7.3 W/m3 (435 mW/m2),扩大化后活性炭空气阴极性能下降是致使L-MFC功率降低的主要原因.电化学阻抗(EIS)分析表明,L-MFC中阴极性能下降主要是由于工作水压增大,导致了阴极扩散电阻增大和氧气还原速率降低.通过串联或并联方式组合L-MFC,可明显提高电池的输出电压或电流;串并联组合后电池的功率密度有所下降,主要由电池连接时的接触电阻引起.     

液相进样直接甲醇燃料电池性能研究

报道了用研制的Pt-Ru/C催化剂, 采用特殊工艺制备了膜电极, 并组装了直接甲醇质子交换膜单电池系统。考察了电极扩散层制备方法、催化剂层中催化剂、Teflon-C以及Nafion液的用量等电极制备工艺条件以及空气作为氧化剂对单电池性能的影响。结果表明：采用刷涂法制备电极扩散层比喷涂法好,催化剂层中催化剂的优化含量为0.6mg·cm-2,Teflon-C、Nafion液的最佳用量分别为0.3 mg·cm-2、0.5 mg·cm-2。当工作温度为80℃时,输出电压为0.3V,氧气作为阴极气体的输出电流密度为36mA·cm-2;而空气作为阴极气体的输出电流密度为22.5mA·cm-2。膜电极有效面积为9cm2的的液相进样直接甲醇/氧气燃料电池三电池电堆的最大功率为0.285W,此时输出电压为0.7V,输出电流为0.407A;而液相进样直接甲醇/空气三电池电堆的输出电压为0.635V,输出电流为0.252A时,最大功率为0.160W。     

质子交换膜燃料电池挡板结构优化

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)流道结构优化能提高反应气体质量传输效率和电流密度,是改善PEMFC输出性能的有效方法。建立PEMFC单直流道几何模型,通过在流道内添加梯形挡板研究了挡板倾角对反应气体传输特性的影响。结果表明,在流道内添加挡板,可明显提高流道内反应气体流速并促进反应气体由流道向扩散层的质量传输;增大对称和非对称梯形挡板的前、后倾角,可有效增大挡板下方O₂质量分数,提高气体扩散层中反应气体通量,强化反应气体质量传输;与对称梯形挡板相比,前倾角75°、后倾角60°或前倾角60°、后倾角75°的非对称梯形挡板强化反应气体质量传输的效果更佳;PEMFC扩散层与催化层中的O₂摩尔分数随挡板数量增加而显著提高,且在挡板对应区域出现反应气体浓度波峰;PEMFC输出性能随流道内挡板数量增加而提升。流道内添加11个前倾角60°、后倾角75°的非对称梯形挡板时PEMFC峰值功率密度为0.435 W/cm²,比无挡板时提高6.6%。此外,工作电压U=0.1 ...     

基于电-化-热耦合关系NH3-SOFC数值模拟

为探究高温工作状态下的电池内部运行情况，对固体氧化物燃料电池(SOFC)电化学性能及传热传质分布情况进行有效分析，利用COMSOL Multiphysics软件，结合电池内气体扩散、浓物质传递、热量传递和电极中二次电流密度构建多物理场模型，研究了NH₃-SOFC中的传热传质、化学和电化学反应特性。结果表明：燃料为氨气时，提高电池工作温度有利于提高电池输出功率，当1 073.2 K工作温度继续提高时，最大功率和电流密度增长速度降低；NH₃-SOFC与H₂-SOFC输出性能相近。进一步探究了温度和反应物进气摩尔分数对NH₃-SOFC性能影响。发现入口氨气摩尔分数自0.7提升至1时，电池性能得到明显提高；而氧气摩尔分数高于0.2时，其对电池性能影响较小，空气可作为电池阴极气体使用。     

自呼吸式直接甲醇燃料电池性能及其传质特性

针对有效面积为1 cm2的自呼吸式直接甲醇燃料电池（direct methanol fuel cell,DMFC）单电池,阳极采用燃料罐供液,将阴极侧集流体和夹具设计为一体式结构,并用自制的七合一膜电极组件对其进行测试,讨论了催化剂类型、扩散层材料、集流体结构等因素对其性能的影响,分析了电池内部的传质特性,优化了电池特别是其在中高电流密度条件下的性能。实验结果表明：采用Pt黑、Pt-Ru黑催化剂制作的自呼吸式DMFC能强化反应物的传质;采用碳布制作的膜电极更倾向于获得更高的极限电流密度;低电流密度时,因甲醇渗透电池电压随着甲醇浓度的增加而降低,但在中高电流密度下,电池性能随甲醇浓度的增大先升高后降低;平行集流体有利于阴阳极生成物的排出和反应物的传质,因此易获得较高的电池性能。     

碳毡负载Sn气体扩散电极CO_2电化学还原性能

针对CO_2电化学还原中气体扩散电极可强化CO_2的传质,基于碳毡制备了负载锡-石墨烯催化层的新型气体扩散电极,研究了CO_2反应条件、电极厚度、催化剂载量及反应电位对CO_2电化学还原性能的影响。实验结果表明:与溶解态CO_2反应条件相比,采用气相CO_2反应条件电化学还原性能更好;一定范围内增加电极厚度和催化剂载量可以增加气-液-固三相反应界面,提升CO_2电化学还原性能;随着电解电位负移,甲酸产量增加,电流效率先增大后减小;实验中使用厚度为5 mm、载量为5 mg·cm-2的电极,在-1.8V(vs Ag/AgCl)条件下进行电化学还原时,平均电流密度为(12.79±1.27)mA·cm-2,甲酸电流效率达到最佳为41.55%±2.50%。     

固碳产甲烷微生物阴极能质传输特性数值模拟

固碳产甲烷微生物电合成系统以附着其电极表面的生物膜为催化剂，可以在处理废水的同时将CO₂转化为甲烷，极具应用前景。微生物阴极是该系统的核心部件之一，其表面生物膜内的能质传输特性极大地影响系统性能。针对微生物阴极能质传输特性尚不明确的问题，推导了微生物阴极电极反应动力学方程（Nernst-Monod方程），构建了耦合生化/电化学反应的物质传输理论模型，研究了不同阴极电势、生物膜电导率以及孔隙率对阴极生物膜内电荷及物质传输的影响规律。研究结果表明当阴极电势高于-0.5 V (vs SHE)时，随阴极电势的降低生物膜内电流密度增大，底物浓度降低；但当阴极电势降低至-0.5 V(vs SHE)后，生物膜消耗电子还原底物的能力几乎达到饱和；低电导率（<10^-3 S/m）会导致生物膜内形成明显的电势差，使得底物利用速率降低，严重影响微生物阴极的性能；生物膜孔隙率控制在0.4时，微生物阴极可达到最佳电流密度。     

固体聚合物电解水制氢性能衰减分析

以阳极催化剂（IrO₂）、阴极催化剂（Pt/C）含量、阴极Nafion质量分数和阳极Nafion质量分数为考察的因素,进行了四因素三水平的正交试验,以电解槽电解电压在2V时的电流密度为衡量标准,确定了配置催化剂浆料的最优配比为：阳极催化剂IrO₂担载量2.0mg/cm²,阴极催化剂Pt担载量1.0mg/cm²,阳极催化剂浆料中Nafion质量分数20%,阴极催化剂浆料中Nafion质量分数25%。使用最优配比配制催化剂后制备膜电极,对该膜电极进行极化曲线测试、产氢量计算及稳定性测试,发现运行80h后,膜电极的电解性能下降,在0.6A/cm²时,电解电压从1.78V升高到2.06V。使用交流阻抗分析稳定性测试前后的各部分电阻变化,发现各部分电阻均有增加。扫描电镜发现测试后阴极催化层与膜发生明显剥离。对稳定性测试期间的循环水进行电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测试,发现长时间运行后,水中Ir和Pt的含量增加。     

钙钛矿型锰的氧化物制备及其对空气电极的催化性能研究

利用溶胶-凝胶法制得钙钛矿型La_(0.9)Sr_(0.1)MnO_3催化剂,通过XRD测试和SEM测试,对其物象和形貌进行表征,结果表明,得到了高纯度的钙钛矿。将催化剂制成电极,通过极化曲线分析和交流阻抗拟合分析,电极在-0. 2 V电位下,电流密度为62 m A/cm²,La_(0.9)Sr_(0.1)MnO_3催化剂显示出了良好的氧还原催化性能。组装成锌-空气电池进行测试,在40 m A/cm2,La_(0.9)Sr_(0.1)MnO_3催化剂显示出了良好的氧还原催化性能。组装成锌-空气电池进行测试,在40 m A/cm²电流密度下循环进行充放电,充电电压保持在2. 3 V左右,而放电电压保持在1. 1 V左右,可持续稳定循环80 h。     

基于阵列电极的破损环氧涂层失效演变行为研究

涂层保护是金属腐蚀防护的关键方法之一.但是对于破损涂层来说,由于涂层/金属界面的封闭性,腐蚀性介质在涂层/金属界面扩散引起的涂层失效一直是各国学者争相研究的热点.因此采用阵列电极测试方法,结合电化学测试方法,建立了腐蚀性介质在涂层/金属界面上扩散引起的涂层失效过程.结果表明:涂层失效过程分为两个阶段:随着腐蚀性介质在涂层/金属界面上的扩散,体系的阳极区不断增大,涂层覆盖区域和未覆盖区域的电位差和电流密度差均减小,此时电化学阻抗特征表现为扩散阻抗,形成了界面为阳极、涂层未覆盖区为阴极的氧浓差电池;随着实验的进行,在氧浓差腐蚀的作用下,涂层完全失效,体系电位分布和电流密度分布与涂层无关.     

微生物燃料电池在废水处理中的应用

设计了一个经典的双室微生物燃料电池,并考察了其在接种厌氧污泥条件下对葡萄糖模拟废水的产电性能.试验采用间歇运行的方式,主要考察了电极材料及初始COD对微生物燃料电池产电性能的影响.结果表明,当外阻为100 Ω时,该电池在初始COD为1 000 mg/L,以石墨为电极的运行条件下产电性能最好,最大电流密度为4.4mA/m2.另外,还对以水及好氧污泥作为电池阴极时系统的产电性能进行了对比.通过对两者极化曲线的分析可知,以好氧污泥作为电池阴极可以大大减小系统的内阻,从而提高电池的产电性能.     

PEMFC用Pt纳米线阴极催化剂的制备及在电堆中的应用

采用无模板法制备了用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的碳载铂纳米线（Pt NWs/C）阴极催化剂,使用透射电镜（TEM）和X射线衍射图谱技术（XRD）对催化剂的微观结构和形貌进行了表征。研究结果表明,制备的铂催化剂具有纳米线的结构,平均截面直径为（4.0±0.2）nm,线长为15～25 nm。利用循环伏安（CV）法和线性伏安扫描法（LSV）表征催化剂的电化学活性和氧还原反应（ORR）特性,结果表明制备的Pt NWs/C催化剂电化学特性良好。利用Pt NWs/C和Pt/C作为阴极催化剂制备膜电极（MEA）,并进行测试,最大功率密度分别为705.6 mW·cm^-2和674.4 mW·cm^-2。然后以Pt NWs/C和Pt/C为阴极催化剂组装了18片和20片的电堆,并进行性能测试,电堆的最大功率密度分别为409.2 mW·cm^-2和702.7 mW·cm^-2,单电池电压差异系数（C_v）分别为16.1%和4.36%,这表明Pt NWs/C作为阴极催化剂在放大后的膜电极组件（MEA）里表现出较好的催化活性,但与商业催化剂相比其性能与均一性还有待提高。该研究可为Pt NWs/C催化剂放大制备提供依据,同时可为后续的基于Pt NWs/C的电堆的耐久性测试和车载应用奠定基础。     

采用常规条形流场的质子交换膜燃料电池阴极数值模拟(Ⅰ)模型建立

对采用常规条形流场的H₂-Air PEMFCs阴极建立了二维数学模型,模型的控制方程耦合了连续性方程、Darcy方程、电传导方程以及O₂和H₂O的对流-扩散方程,对氧的电化学还原反应过程采用Butler-Volmer方程描述.利用模型计算了阴极扩散层中电流密度、O₂和H₂O浓度、催化层界面上局部电流密度的分布,分析了采用常规条形流场时气体在阴极扩散层中的传递机制及各组分浓度分布的特点.     

NiCo_2S_4多孔核壳微球作为锂氧气电池阴极催化剂的应用研究

采用简单的两步溶剂热法成功地制备了NiCo_2S_4多孔核壳微球。将此NiCo_2S_4多孔核壳微球作为阴极催化剂组装非水系锂氧气电池,在电流密度为0.1 mA/cm~2的条件下,首次放电比容量为2 683 mA·h/g,并且在同样的电流密度,截止容量为500 mA·h/g的条件下,NiCo_2S_4电极能够稳定循环80圈,远超过同样条件下的导电炭黑SuperP电极性能,表现出了出色的充放电循环稳定性,这主要是由于NiCo_2S_4多孔核壳微球相对于SuperP具有更高的电催化氧还原和氧析出的活性,同时多孔核壳球形貌具有更多的空间容纳放电产物Li_2O_2的沉积,进而避免了阴极的体积变化造成的电池性能衰减。