二维氮掺杂有序介孔碳的制备及低维材料于锌/溴液流电池中的电催化研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zwsbjh
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液流电池因其具有可深度充放电、可模块化调控、不受地理环境限制等优点,已成为大规模储能领域中备受重视的储能器件。主要应用场景为调控电网、平滑非稳态可再生能源的电能输出、离岛式电网的构建等。其中,锌/溴液流电池因其原材料易得与能量密度大等特点,具有很好的应用前景。但现阶段因电极严重极化问题,造成电池能量效率低,开发新型高催化活性的正极催化材料是解决此问题的一个方法。本论文针对锌溴液流电池中正极极化问题,开发新型电极材料,增加溴电极的催化活性,提高电池性能。通过使用不同维度的二氧化硅模板,开发出二维与三维氮掺杂有序介孔碳电催化剂。并通过多种现代物理化学表征手段:透射电子显微镜、X-射线粉末衍射、拉曼光谱、氮气吸脱附实验、X-射线光电子能谱等;结合电化学测试方法:循环伏安法、线性扫描伏安法、电极动力学参数分析、电化学阻抗谱等,构建材料的“构-效”关系。并用于锌溴液流电池单电池测试中,得出材料的电池数据。首先,通过对模板剂的选择,合成二维与三维有序介孔二氧化硅模板。之后使用不同维度的二氧化硅模板,通过纳米浇铸法,得到不同维度的氮掺杂有序介孔碳。通过表征发现,与三维氮掺杂有序介孔碳相比,二维氮掺杂有序介碳由于模板的纳米空间限域效应,具有更高的氮含量,并且由于模板形貌的不同,具有更大的比表面积与更宽的孔径。其次,从两催化剂的循环伏安测试结果中可以看到,二维氮掺杂有序介孔碳具有更高的催化活性,并且能够看到由于三维介孔形貌的影响,三维氮掺杂有序介孔碳观察到有溴单质传质受阻的现象。通过对两者修饰的电极进行动力学参数分析,能够看到二维氮掺杂有序介孔碳具有更大的交换电流与动力学常数。最后,使用所得电极材料组建锌/溴液流单电池,并对电池中其他关键材料(隔膜、电解液)进行优化,以增加电池的稳定性与减少电池内阻。通过使用二维氮掺杂有序介孔碳修饰的碳毡电极,能看到充放电电压平台差减少,电池能量效率上升,在电流密度为80 mA cm-2下,能量效率84.3%。
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