电化学制氧用阴极及电解质的制备

摘要

利用空气电极电化学制氧是一种新型制氧技术，但目前采用的溶液电解质存在漏液、生长枝晶、安全性差等问题。针对这些问题，本论文首次以空气电极为阴极、碱性固体聚合物为电解质进行电化学制氧的研究，考察了多种因素对空气电极、碱性固体聚合物电解质(ASPE)和电化学制氧系统的影响。
　　 应用极化曲线、XRD、SEM、TEM等测试方法，对空气电极进行了研究。结果表明：5.5wt.％Ag/C是价格便宜且催化性能较好的催化剂；当w(Ag/C)：w(PTFE)=4：1、KOH溶液浓度为6.25 mol/L、空气电极的结构为催化层/炭纸/催化层时，有利于空气电极电化学性能的提高。
　　 采用溶液浇铸法制备了不同PVA(聚乙烯醇)与KOH配比的PVA-KOH-H2O体系的ASPE，研究了H2O和KOH等对ASPE性能的影响。极化曲线结果表明：水的含量对PVA-KOH-H2O电解质的电导率影响很大，水的含量越高，电导率越高。当水含量为70％时，δ达到0.1458S·cm-1。ASPE的室温离子电导率也随着KOH含量的变化而变化，在较低的KOH浓度下，电解质膜的电导率随着KOH含量的增加而明显增大；当KOH溶液的浓度达到一定程度即w(KOH)：w(PVA)=2：1后，电导率随KOH含量的增加较小。按此趋势推测：随着KOH的含量继续增大，体系的电导率将会减小。XRD结果表明：KOH的掺入，使PVA的结构发生了由晶型向无定型的转变，当KOH的含量增加到一定值时，会出现大量未电离的非晶态KOH，使离子电导率下降。DSC分析结果表明：随着KOH含量的增加，KOH与PVA之间的相互作用逐渐增大，当w(KOH)：w(PVA)=3：1时，电解质膜中基本上没有PVA晶态的存在。这对聚合物电解质电导率的提高有好处。循环伏安(CV)曲线表明PVA-KOH-H2O体系有较宽的电化学稳定窗口，约为1.6V，对于一般的电池基本上能满足要求。
　　 以本实验制备的空气电极和ASPE薄膜为电解质，进行电化学制氧。通过改变电解质中KOH和PVA的比例，对电池作极化曲线，结果表明，当w(KOH)：W(PVA)=3：1时，电池的极化较小，制氧系统的性能较好，产生的气体量最多，氧气的纯度较高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1前言

1.2电化学制氧用空气电极

1.2.1空气电极的发展历史及研究现状

1.2.2空气电极的结构

1.2.3空气电极的反应机理

1.2.4空气电极催化剂的研究现状

1.3碱性固体聚合物电解质(ASPE)

1.3.1金属氢氧化物的选择

1.3.2 ASPE基体的选择

1.3.3 ASPE的改性方法

1.4电化学制氧专利技术现状

1.5本论文的工作及研究意义

第2章实验方法

2.1实验仪器及药品

2.1.1实验仪器

2.1.2实验药品

2.2空气电极和ASPE的制备

2.2.1空气电极的制备

2.2.2 ASPE的制备

2.2.3电化学制氧实验装置的装配

2.3电化学制氧系统的性能表征

2.3.1电化学制氧系统氧气纯度的测定

2.3.2空气电极极化曲线的测试

2.3.3空气电极表面形貌观察

2.3.4空气电极的透射电镜分析

2.3.5样品的XRD分析

2.3.6 ASPE室温电导率的测定

2.3.7 ASPE电化学稳定窗口的测定

2.3.8 ASPE示差扫描量热测试

2.3.9 ASPE含水量的计算

2.4本章小结

第3章空气电极的制备及性能研究

3.1空气阴极发生的反应

3.2实验结果与讨论

3.2.1催化剂的选取

3.2.2其它因素对空气电极性能的影响

3.3本章小结

第4章ASPE的制备及性能研究

4.1实验结果与讨论

4.1.1电解质膜的表面形貌

4.1.2 ASPE膜的电导率与H2O含量的关系

4.1.3 ASPE膜的电导率与KOH含量的关系

4.1.4 ASPE膜的晶相分析

4.1.5ASPE电化学稳定性分析

4.1.6ASPE的DSC分析

4.2本章小结

第5章制氧系统的性能研究

5.1制氧系统的组成和结构

5.1.1制氧装置图

5.1.2阳极材料的选择

5.1.3电化学制氧用阴极

5.2不同因素对制氧系统的影响

5.2.1制氧过程中空气电极的使用情况

5.2.2制氧过程中膜电极的使用情况

5.2.3不同的电解质膜的极化性能比较

5.2.4不同的电解质膜产氧量的比较

5.2.5氧气纯度的测量

5.2.6产氧效率的计算

5.3本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢