基于铅氧燃料电池法合成电池级氧化铅及其电化学性能的研究

摘要

铅酸电池广泛用于汽车点火电源和电动车动力电源等领域，高品质氧化铅是制造先进铅酸电池的关键原料。本论文针对现有球磨法（岛津法）和气相氧化法（巴顿法）两种传统制备工艺存在的高能耗和高污染问题，提出了一种全新清洁节能的高品质氧化铅的合成方法，该方法利用铅阳极和氧阴极构成铅氧燃料电池，借助该电池自发的放电过程得到含有氧化铅的电解液，再通过冷却结晶析出氧化铅和NaOH母液。围绕铅氧燃料电池的电极过程和氧化铅结晶过程，本论文的主要研究内容如下:
　　本论文首先利用三电极法研究了铅在NaOH溶液中的阳极过程。通过线性扫描、交流阻抗、循环伏安、恒电流放电和塔菲尔等电化学测试方法研究了氢氧化钠浓度、电解液温度、氧化铅浓度以及添加剂等因素对铅阳极过程的影响。研究结果表明:在电解液NaOH浓度为30％、温度为80℃，并溶解有0.2 mol·L-1的Cl-添加剂时，铅阳极的反应活性最高。
　　本论文同时以三电极法研究了氢氧化钠浓度、电解液温度、氧化铅浓度以及阳极添加剂等因素对氧阴极过程的影响。研究结果表明:在常温下浓度为30％的氢氧化钠电解液中反应活性最高，阳极添加剂的存在对氧电极的电化学活性无不良影响。
　　在此基础上，本论文研究了铅氧燃料电池的电化学及NaOH-PbO电解液的结晶和母液循环过程。实验结果表明:铅氧燃料电池在电解液NaOH的浓度为30％、温度为80℃、阳极添加剂为0.2 mol·L-1的Cl-时，以35 mA cm-2的电流密度进行放电时，其放电平均电压高达0.5 V。对放电后得到的NaOH-PbO电解液进行降温结晶，析出PbO晶体后得到循环母液NaOH，再次进行放电反应结果表明:循环利用氢氧化钠电解液放电时，该燃料电池的放电性能良好，其放电电压高达至0.45-0.50 V。
　　最后，本论文对合成的PbO进行了SEM和XRD的表征测试，结果表明:碱度和降温速率都会影响PbO的晶型结构，搅拌会影响PbO的形貌结构;共得到α-PbO、β-PbO、α，β-PbO三种晶型结构的PbO。对三种PbO进行和膏、固化、化成得到铅酸电池正负电极，其电化学测试和循环结果表明:合成的氧化铅尤其是合成的α-PbO具有比传统铅粉更高的电化学活性和稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 氧化铅的制备方法及其性质的应用现状

1．2．1 氧化铅的性质

1．2．2 氧化铅的传统生产方法

1．2．3 其他制备氧化铅的方法

1．3 金属燃料电池

1．3．1 金属燃料电池的特点

1．3．2 金属燃料电池的种类

1．4 本课题的选题目的以及研究内容

1．4．1 本课题选题目的

1．4．2 本课题研究内容

第二章 金属铅在NaOH溶液中的阳极溶出过程及其影响因素

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．3 实验部分

2．3．1 阳极处理工作

2．3．2 电化学测试

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 电解液氢氧化钠的浓度对金属铅阳极溶出过程的影响

2．4．2 温度对金属铅阳极溶出过程的影响

2．4．3 氧化铅浓度对金属铅的阳极溶出过程的影响

2．4．4 卤素离子对金属铅阳极溶出过程的影响

2．5 本章小结

第三章 氧电极在NaOH-PbO溶液中的阴极还原过程研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．3 实验部分

3．3．1 阴极氧电极的制备

3．3．2 电化学测试

3．4 实验结果与讨论

3．4．1 自制氧电极性能测试

3．4．2 电解液氢氧化钠的浓度对氧阴极还原的影响

3．4．3 温度对氧阴极还原过程的影响

3．4．4 氧化铅浓度对氧阴极还原过程的影响

3．4．5 阳极添加剂对氧阴极还原过程的影响

3．5 本章小结

第四章 Pb-O2燃料电池以及合成氧化铅的电化学性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．3 实验部分

4．3．1 Pb-O2燃料电池制备氧化铅的原理及装置示意图

4．3．2 Pb-O2燃料电池的电化学测试

4．3．3 表征测试

4．4 实验结果与讨论

4．4．1 Pb-O2燃料电池放电反应

4．4．2．阴阳极在放电前后的结构形貌表征

4．4．3 PbO产品的冷却结晶及产品表征

4．4．4 PbO产品的电化学性能

4．5 本章小结

第五章 总结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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