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[硕士论文] 王智成
工业催化 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:电化学氧化技术作为一种环境友好型的高级氧化技术不仅因其在反应过程中具备较强的催化活性而且反应时具有绿色环保、二次污染少、安全性能高、操作简便等优点而备受关注。其中,阳极材料的选取关乎到电极的电化学催化活性强弱。PbO2电极材料因其价格低廉、耐腐蚀性好且拥有较高的过氧电位被视为最具有发展潜力的阳极材料。但PbO2阳极的催化活性和电化学稳定性仍需要提高。因此,本文以提高PbO2阳极的催化活性和稳定性这两个方向为目标展开一系列研究工作,主要研究内容如下:
  以钛基二氧化钛纳米管为基体(Ti/TiO2NTs),通过脉冲电镀与高温煅烧法相结合将氧化镍(NiO)和稀土铈(Ce)掺杂的PbO2依次负载在Ti/TiO2NTs中,成功制备出了复合Ti/TiO2NTs/NiO/Ce-PbO2电极。研究了NiO的负载以及Ce的掺杂对PbO2电极性能的影响,选用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射仪(XRD)等表征手段对改性后PbO2电极表面形貌,物相结构以及元素组成与价态进行深入分析。并采用了循环伏安(CV)、线性扫描伏安(LSV)以及交流阻抗(EIS)等方法来考察改性后PbO2电极的电化学性能。实验结果表明,相比于块状易团聚的Ti/TiO2NTs/PbO2(41.2nm)和Ti/TiO2NTs/Ce-PbO2电极(34.6nm)而言,紧凑的表面结构和颗粒均匀细小的Ti/TiO2NTs/NiO/Ce-PbO2电极(15.2nm)具有更大的电化学活性面积、更小的电子转移电阻和更高的过氧电位。以苯酚为模拟有机废水,在电化学降解实验中研究了不同的苯酚浓度、电流密度以及溶液的酸碱度对Ti/TiO2NTs/NiO/Ce-PbO2电极降解苯酚的影响,得出了最佳的降解参数:苯酚溶度为50mg/L、施加的电流密度为40mA/cm2、pH为3。在最佳条件下,经过180min降解后,苯酚去除率和总有机碳(TOC)去除率分别达到100.0%和98.1%,由此得出新型Ti/TiO2NTs/NiO/Ce-PbO2电极具有更强的催化性能。
  以一维Ti/TiO2NTs为基体,不需要其他外在三维模板状态下,通过简单的脉冲电沉积制备出三维球堆状PbO2电极(3D-sphere PbO2),并选用SEM、EDX以及XRD对3D-sphere PbO2电极的表面形貌、化学成分、晶型结构进行表征。实验结果表明,相比于传统直流电沉积获得的平板状PbO2电极(flat-PbO2),3D-sphere PbO2电极具有更复杂的三维立体结构和更小的颗粒尺寸。通过电化学CV、LSV、EIS以及极化寿命等测试表明,对比于flat-PbO2电极,3D-sphere PbO2电极因具有更大的电化学活性面积、更高的过氧电位、更小的电子转移电阻而导致在降解过程中具有更长的使用寿命和化学稳定性。在最优电流密度下(30mA/cm2),通过降解100mg/L苯酚溶液来对比flat-PbO2电极和3D-sphere PbO2电极的催化性能。实验结果表明,相对于平板flat-PbO2电极的苯酚去除率(73.1%)而言,3D-sphere PbO2电极在降解苯酚过程中去除率高达到96.5%。此外,研究表明两种电极在降解苯酚过程中均符合准一级反应动力学,对比两种电极的动力学常数(k)可知,3D-sphere PbO2电极在降解苯酚时的k是相同条件下flat-PbO2电极的2.56倍。由此得出具有复杂的微观结构的三维球堆状3D-sphere PbO2电极不仅催化活性增强,同时电极的使用寿命也大幅度提高。
[硕士论文] 王叶
材料化学工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:聚苯胺(PANI)作为超级电容器电极材料具有很好的应用前景,其具有很高的理论比电容、制备工艺简单、合成原料便宜及绿色环保等优点引起了越来越多的关注,但其实际比容量偏小、电化学稳定性差、产率低等因素一直限制了其在实际中的应用。为此,本课题做了三个方面的内容:(1)用产率高的化学氧化法制备了HCl、HNO3和H2SO4掺杂PANI,研究了氧化剂的量、酸的种类、酸的浓度、合成温度及合成时间对PANI电导率的影响;(2)用还原氧化石墨烯(RGO)与高导电率的PANI进行原位复合,研究了不同比例的PANI/RGO的电容性能和循环稳定性;(3)用液相沉淀法制备了MnO2,再用原位合成法制备了PANI/MnO2复合材料,研究了不同比例的PANI/MnO2的电容性能和循环稳定性。
  研究表明:(1)用HCl作为掺杂酸制备的PANI在结晶性能上要稍优于HNO3和H28O4掺杂的PANI,且更易制备出纤维状的PANI。同时通过测试电导率发现当氧化剂与苯胺单体的摩尔比为1,掺杂酸的浓度为2mol/L,合成温度为0℃,合成时间为8h时,制备出的PANI导电率最高为10.23S/cm。(2)PANI与RGO原位复合后,材料的比电容和电化学稳定性得到了很大提升,当RGO与苯胺单体的质量比为1∶8时比容量最高,用1mol/L的H2SO4作为电解质溶液,在1A/g电流密度下的比电容可达546.75F/g,且循环1000次后仍能保留初始容量的78.65%,远高于纯PANI的比电容(326.27F/g)和循环稳定性(42.31%)。(3)液相沉淀法制备的MnO2属于γ-MnO2,其能很好的分散于PANI中,二种单一材料的阻抗都比较高,经原位复合后的PANI/MnO2的阻抗大大减小了,在MnO2的添加量与苯胺单体的摩尔比为1∶5时,用1mol/L的H2SO4作为电解质溶液,在1A/g电流密度下PANI/MnO2的比电容可高达483.39F/g,且循环稳定性好,充放电1000次后仍能保持初始容量的75.32%。
[硕士论文] 赵馨
交通运输工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:汽车是现代工业的产物,同时也是人类工业文明的象征。汽车产业的发展推动着一个国家的整体经济发展,汽车工业的先进性也体现着一国的科学技术、机械制造等多方面实力与水平。当今社会,在能源与环境危机严重制约人类自身发展与进步的情况下,新能源汽车产业飞速发展,成为人类平衡社会发展与能源环境的重要产物,其中,电动汽车作为新能源汽车的代表,以一种区别于传统汽车的全新姿态呈现在人们面前,它能够最大化的实现汽车环境效益,电动汽车必将成为未来交通运输与载运的重要组成部分,但它也面临着诸多全新的问题,比如车载电压安全问题、续航里程问题、充电时间问题、基础设施建设问题等等,这些问题成为了制约电动汽车发展的阻力因素,影响电动汽车的普及,这其中续航里程问题是电动汽车始终面临的核心问题和技术瓶颈。基于以上问题的提出,本论文开展以下几个方面的研究工作:
  (1)实验研究新型动力电池,实验制备了石墨烯电极材料,并对其进行了改性制各。利用XRD、BET、SEM分析测试手段,结合电化学工作性能测试,研究其结构与性能情况,实验制得了具有骨架结构的石墨烯电极材料,电化学测试结果显示该类材料具有优异的电化学性能,同时,石墨烯电极材料具有广阔的改性空间,说明其具有成为下一个纯电动汽车动力电池的巨大潜力。
  (2)对电池管理系统进行优化控制研究,采用软件模拟手段对重要的电池管理系统进行了模拟分析,在电池热控制方面提出了对冷却系统进行结构模拟的优化控制,在理想状态下,发现Z型结构设置更有利于热扰动,同时对联合液体冷却与电热冷却系统的冷却效果进行了模拟,发现该改进结构的可将温度降至291K,能够对电池系统进行良好的热移。
  (3)结合文献梳理与实验与模拟数据分析,基于电池方面的研究结果,借鉴“开源节流”的普适思想,提出了以新型石墨烯电池为动力电池,采用先进的电池管理控制结构,以实现动力能源最大供给;结合能量回收技术、智能系统控制及良好操作习惯等手段最大程度上实现能量节约与高效转化,即在能量供给与消耗两侧加以控制,从而获得提高纯电动汽车续航里程的具体方案。为有新能源汽车参与的交通道路运输体系的发展提供参考。
[硕士论文] 陈习惠
材料化学工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着一次能源的枯竭以及其燃烧产物对环境的污染,各国科研工作者开始对新能源的开发与利用进行研究。浓差电池是一种能将浓度势能差收集起来产生能源的装置,但严格意义上的浓差电池较难被利用,所以对浓差电池的理论研究发展较慢,故而在浓差电池方面有极大地研究空间。
  本论文针对浓差电池的传统结构,参考薄膜电池和柔性电池的结构使之薄膜化,制备出一个体积小、重量轻、便于携带的浓差薄膜电池,同时该结构使其激活时间可控化。选择合适的电解质,使其在能产生较高开路电压的同时保证其水溶液电阻较小。对半透膜进行研究,制备出具有不同孔隙率的复合半透膜,使半透膜两边始终保持较高的浓度比,从而获得具有较高输出电压的浓差电池。选择多种电极材料,分析电极材料在浓差电池放电中所受到影响。选择最佳复合半透膜组装成浓差薄膜电池,对多个浓差薄膜电池进行串联,使电池组产生更高的输出电压。研究结果表明:
  1、对浓差薄膜电池的结构进行设计,参考薄膜电池和柔性电池的结构,制备出一款薄片状的浓差薄膜电池。
  2、选择不同分子类型的电解质与蒸馏水组装成浓差电池,20%X-405产生电压值最高,10%BD300次之,但10%BD300的电导率远大于20%X-405,故而最终选择BD300作为浓差薄膜电池的电解质。
  3、用不同的无法溶胀的聚合物(丙烯酸酯或者聚氨酯)与可以溶胀聚合物(聚乙烯醇)进行复配,不同比例的复配获得具有不同孔隙率的半透膜。实验表明:对于丙烯酸酯或聚氨酯两种物质与聚乙烯醇的复配所制备的半透膜均有相同的结论,厚度相同时PVA含量越高半透膜的孔隙越大;相同PVA含量时半透膜越厚其孔隙越大。
  4、对浓差薄膜电池的放电过程进行分析,金属材料电极参与电池反应造成腐蚀,无机非金属材料则不受影响。
  5、使用两类复合半透膜分别组装成浓差薄膜电池组,对各自所产生的开路电压进行对比。所产生的开路电压均由0逐渐增加到最大而后逐渐下降,PU/PVA复合半透膜所组成电池组的开路电压下降趋势相较于PSA/PVA复合半透膜所组成电池组更为显著。经过56h后,PVA含量为6%的PSA/PVA复合半透膜所组成的3串联电池组开路电压为395mV;而经过28h后,PVA含量为4%的PU/PVA复合半透膜所组成的3串联电池组开路电压为330mV。
  6、将PVA含量为6%的PSA/PVA半透膜组装成多个串联的浓差薄膜电池组,随着串联个数的增加电池组的开路电压也逐渐增加,串联个数分别为1、3、6、9、12时,电池组的开路电压分别为105mV、395mV、498mV、728mV以及786mV。
  由实验结果可知,选择湿膜厚度为300μm的PSA/PVA复合半透膜在浓差薄膜电池结构一中与BD300电解质组装成浓差薄膜电池组,可作为一种能源材料收集浓度差势能,得到持续、较高的开路电压。
[硕士论文] 秦志伟
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:光缆制造的产品种类丰富多样,制造工艺复杂离散,很依赖作业调度来优化其整个工艺流程,往往对作业车间任务调度问题解决的好坏将直接影响车间运行的效率,而车间调度与现场所采集到信息的实时反馈息息相关。现如今,光缆生产作业信息以及生产系统复杂性的急速增加使得传统的人工采集、传输、统计信息方式已经无法跟上车间生产调度的要求,因而迫切需要一种面向光缆制造改善其现状的信息化管理系统。
  数据采集和获取与生产作业调度作为制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)中的两个核心功能,前者可以帮助车间管理人员实时准确地监测作业车间物料、设备、人员等状态信息,查看生产计划的执行进度,后者则根据反馈而来的实时生产信息安排生产作业的调度管理,使得车间生产井然有序。本文以某光缆企业的生产实际情况为背景,结合物联网技术和MES相关理论,重点作了以下几方面的研究工作:
  首先,在分析光缆制造的整个工艺流程和生产状况的基础上,根据光缆生产车间问题和功能需求,提出了面向光缆制造的MES设计框架,重点研究其数据采集和车间作业调度这个两个MES核心功能。
  接着,对常见的三个采集方式进行了对比分析,采用了物联网的RFID和ZigBee技术对光缆MES数据采集终端进行了研究与设计,从硬件和软件两方面对设计和系统工作流程进行了说明。
  其次,根据理论标准建立的车间调度框架模型并对车间调度算法模型进行了研究,采用万有引力算法作为车间调度的算法基础,针对万有引力搜索算法求解作业车间调度问题时存在的算法收敛速度慢、易早熟的缺点,提出了一种多策略万有引力搜索算法,并在MATALB上进行仿真分析。
  最后,对MES数据库进行了设计,以ASP.NET为开发技术,C#为开发语言,SQL Server2008为数据库,实现了上位机管理系统的研发,包括登录、生产状态查看、设备管理、产品工艺管理、订单管理等功能模块,并将主要页面进行了展示。
[博士论文] 郝明正
材料科学与工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:随着电子电气行业的飞速发展,电磁辐射成为日益严重的问题。电磁屏蔽橡胶兼具电磁密封和环境密封能力,屏蔽效能高,环境适应性强,密度小,成本低,广泛应用于航空航天、电子通信、国防军事等领域。镀金属导电填料具有成本低、密度小、导电性好等优点,是最常用的电磁屏蔽填料。国内在这方面的研究与国外有较大差距,生产的镀金属粉体难以满足军工和民用市场的高端应用需求。多巴胺仿生修饰方法操作简便、环保安全、对基体材质无限制,是一种简单有效的表面修饰方法,能够有效提高银粒子与基体的结合力,得到高导电的镀银粉体。但是,多巴胺昂贵的成本和较长的反应时间限制了其工业化生产和应用。多巴胺优异的粘附性来源于其结构中的邻位酚羟基和氨基,因此,我们选用两种廉价的单体邻苯二酚和多胺来替代多巴胺对基体进行表面修饰,以降低生产成本。通过添加氧化剂促进邻苯二酚氧化为邻苯醌,加速酚胺沉积修饰,缩短反应时间。另外,植物中提取的多酚单宁酸富含邻苯二酚和连苯三酚基团,可以与金属离子快速螯合在基体表面沉积多酚-金属离子螯合层,是一种高效、环保的表面修饰方法。基于上述观点,本文研究了两种多元酚表面修饰方法改性多种基体,并制备了高导电镀银粉体。具体内容如下:
  (1)通过邻苯二酚与多胺的氧化共沉积对玻璃微珠进行了表面修饰。聚(邻苯二酚/多胺)(PCPA)沉积的最优化条件为:邻苯二酚与四乙烯五胺,摩尔比3∶1,反应pH为9,反应时间4h。PCPA中的邻苯二酚基团和氨基具有吸附和还原银离子的作用,PCPA的修饰能有效提升银粒子与基体的结合力,得到银层均匀致密的镀银粉体,采用化学镀法制备了高导电的镀银玻璃微珠(1000S/cm)。与多巴胺仿生修饰方法相比,酚胺仿生修饰方法成本低(多巴胺的1%),反应时间短(多巴胺的1/6)。在这基础上,通过添加氧化剂CuSO4/H2O2促进邻苯二酚氧化为邻苯醌,加快酚胺仿生修饰进程,将原本4h的沉积时间缩短为40min,采用化学法镀银法制备了电导率高达1000S/cm的镀银玻璃微珠。镀银玻璃微珠/硅橡胶复合材料具有良好的机械性能和优异的电性能,能够满足企业需求。酚胺表面修饰方法高效可控,成本低廉,且PCPA层可以作为二次功能化的平台,在材料表面修饰及功能化领域有广阔的应用前景。
  (2)通过酚胺表面修饰方法改性不同形状(纤维状、球形、片状)、材质(聚合物、金属、碳材料)的基体并镀银,证明酚胺修饰方法具有与多巴胺修饰方法相同的普适性。采用酚胺仿生修饰芳纶纤维并化学镀银,制备了高导电(10000S/cm)的镀银芳纶纤维,可用于电磁屏蔽织物或柔性导电材料。采用酚胺仿生修饰铝粉和石墨烯,通过“两步法”镀银,先生长种子,再成核增长,制备了高导电的镀银铝粉和镀银石墨烯(10000S/cm)。镀银铝粉/硅橡胶复合材料具有良好的机械性能和优异的电性能,能够满足企业需求。另外,添加氧化剂过硫酸铵加速邻苯二酚的氧化,促进酚胺反应,将PCPA在石墨烯表面的沉积时间缩短至1h。“两步法”镀银的方法适用于表面较难镀银的基体,能制备高导电的镀银粉体,为材料表面金属化提供了一种新的思路。酚胺表面修饰方法适用于多种基体,不限制材料的形状和材质,具有很大的应用潜力。
  (3)采用植物多酚单宁酸(TA)与三价铁离子通过螯合作用在玻璃微珠表面快速沉积多酚-金属粘附层。沉积的最优化条件为:pH=8,FeⅢ浓度为0.10g/L,反应时间1min。单宁酸中的连苯三酚基团和邻苯二酚基团具有吸附和还原银离子的作用,经过单宁酸-FeⅢ修饰后,银粒子的附着力得到提高。TA-FeⅢ修饰的玻璃微珠通过化学镀银制备了电导率高达1250S/cm的镀银玻璃微珠,满足企业需求。单宁酸-三价铁螯合修饰的方法绿色环保、高效、成本低、适用范围广,在其修饰的表面可进行二次功能化,具有一定的工业化应用前景。
[硕士论文] 蒋燕
环境科学与工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物将废水中的有机污染物转化为电能的可持续性能源利用装置。Pt等贵金属虽然能有效促进阴极氧还原反应,但其价格高昂贵,难以商用。寻找廉价的催化剂或者采用生物阴极(BCMFC)的方式可以有效降低MFC的成本。环境中残留的抗生素及其诱导出的耐药性细菌及抗性基因已经对环境以及人类健康造成了严重威胁。基于以上问题,本文探究氮掺杂(NCNT)及金属氧化物掺杂碳纳米管对生物阴极氧还原的促进作用,同时考察阳极室加入头孢类抗生素对电池性能的影响及其中抗性基因(ARGs)的变化规律。
  研究对比了三聚氰胺和脲这两种氮源掺杂CNT的效果,发现氮含量分别为2.32%和1.30%,并且三聚氰胺掺杂电极吡啶氮含量能达53.90%。进一步电化学测试证明三聚氰胺掺杂电极具有较好的催化活性。随后对煅烧温度进行优化,发现煅烧温度为900℃时,BCMFC产电最高能达到121.92mW/m2。
  进一步探究了Fe3O4和MnO2掺杂NCNT制备复合电极的电极性能。循环伏安分析以及塔菲尔曲线数据表明Fe3O4-NCNT较MnO2-NCNT生物阴极具有更好的氧化还原活性。Fe3O4-NCNT具有最高的功率密度,为216.05mW/m2。同时,NCNT产电高于Fe3O4-NCNT,说明非金属掺杂碳材料具有很大的应用前景。
  头孢吡肟的加入增加了阳极内阻,降低了BCMFC产电。BCMFC对头孢吡肟的耐受能力更强,在进水头孢吡肟浓度为0.6mg/L,COD为1000mg/L时,产电效果最好,而传统厌氧反应器(ABR)耐有机负荷能力更强。两个系统中头孢吡肟的降解均分为快速吸附及慢速生物降解(遵循一级动力学),揭示了BCMFC阳极中电子转移机制为直接电子转移。
  进一步探讨ARGs在BCMFC中的变化规律。低浓度头孢吡肟刺激微生物生长;高浓度则抑制生长,细菌数量减少,但ARGs相对丰度仍维持在较高水平。抗生素浓度浓度在0.2~1.0mg/L变化时,总ARGs相对丰度为10-4.59~10-3.26;COD在200~1300mg/L变化时,总ARGs相对丰度为10-267~10-1.34。
  BCMFC由于电化学效应影响ARGs水平传递,导致ARGs传播与复制不受环境中细菌浓度的影响,两者之间无相关性,而ABR中两者显著性相关(P<0.01)。BCMFC中水相和泥相中ARGs呈负相关数多于ABR,说明在BCMFC中泥相和水相ARGs存在此消彼长的关系。
[硕士论文] 李学雷
化学工程与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:能源存储一直是困扰人类的一大难题,近年来,超级电容器作为新型储能装置成为研究的重点,而决定电容器性能的是电极材料的选取,因此研发出电化学活性优异的电极材料尤为重要。Ni(OH)2具有较高的理论比电容,但是循环性能比较差,通过与石墨烯复合来利用它们的协同作用,制备出高性能的电极材料。本文采用微撞击流反应器制备石墨烯/镍基复合材料,主要内容如下:
  (1)用MISR制备了RGO/Ni(OH)2复合材料,研究了工艺条件对材料性能的影响,确定最佳工艺条件为:RGO∶Ni(NO3)2质量比为0.1∶2.5、反应pH为9.5、陈化时间3h、预混时间3h、撞击流速7.08m/s。1A/g的电流密度下,初始比电容可达2534.8F/g,循环500次后的容量保持率为51.7%。在最佳工艺条件下,比较了MISR与传统STR制备材料之间的电化学性能差别,证明MISR在制备复合材料上具备一定优势。
  (2)用MISR对Ni(OH)2掺杂Al3+、Co2+两种金属离子进行改性,得到Ni-Co-Al(OH)n复合材料。确定了最佳的Ni2+与(Al3+、Co2+)摩尔比为3∶1,最佳的Al3+∶Co2+摩尔比为3∶2,最佳沉淀剂浓度为0.25mol/L。最佳条件下,材料在1A/g的电流密度下,材料的初始比电容为2010.8F/g,循环500次后比电容保持率为80%。比较了MISR与STR制备材料之间的区别,发现MISR得到的材料团聚现象较少,掺杂的金属离子分布更加均匀,掺杂效果较好。
  (3)利用MISR,通过氧化石墨烯与金属氢氧化物先复合再还原的方法,制备出RGO/Ni-Co-Al(OH)n复合材料。在金属离子总物质量为0.0125mol以及水合肼用量为50μL基础下,确定了最佳工艺条件为:GO的用量为50mg、预混时间为3h、还原时间为1h、还原温度为100℃。复合材料在1A/g的电流密度下,初始比电容为2230.9F/g,充分活化后最高比电容可以达到2389.5F/g,循环充放电500次后,容量保持率可达96.5%,循环1000次后仍然可以达到83.7%。在20A/g电流密度下,初始比电容可达1687.5F/g,比电容保持率为75.6%,不仅具有极高的比电容,而且复合材料的循环性能和倍率性能也十分优异。
[硕士论文] 赵聪
材料科学与工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE》是最受欢迎的聚合物铁电材料之一,其结晶行为直接决定材料的最终铁电性能。P(VDF-TrFE)熔融重结晶后一般形成分子链垂直于基底的flat-on片晶,没有铁电性能。本文通过硅基单层石墨烯的基底作用和真空蒸镀碳膜的方法调控了P(VDF-TrFE)熔融重结晶后分子链平行于基底方向的edge-on取向,该取向有利于铁电极化性能,同时拓宽了铁电存储器件的加工温度窗口。
  首先研究了熔融温度对单层石墨烯基底上P(VDF-TrFE)薄膜熔融重结晶后的结晶及铁电性能的影响。结果表明,P(VDF-TrFE)在不同熔融温度下熔融重结晶均生成edge-on的棒状晶体,且棒状晶体随熔融温度的提高而不断增长变宽,形态差异明显。压电响应力显微镜(PFM)测试结果显示,熔融温度不影响P(VDF-TrFE)的矫顽电压,但对代表铁电极化性能的d33值影响很大。当熔融温度为150℃时,P(VDF-TrFE)的铁电极化强度最高。
  将150℃作为熔融温度,研究了结晶温度对单层石墨烯基底上P(VDF-TrFE)薄膜熔融重结晶后的结晶及铁电性能的影响。结果表明,P(VDF-TrFE)薄膜熔融重结晶后均可得到在面内各向同性分布的edge-on取向的长棒状晶体,矫顽电压和d33值对结晶温度均具有依赖性。当结晶温度为128℃时,P(VDF-TrFE)的铁电极化性能最高,这是因为在最快结晶温度时等温结晶能获得最高的结晶度。
  在P(VDF-TrFE)薄膜表面真空蒸镀的碳膜能够有效固定熔融重结晶后的P(VDF-TrFE)分子链平行于基底方向的取向。这种强的固定作用可以在250℃熔融温度内得到保持,并且在MFM型器件中显示出好的铁电性能,这提供了一种简单、价廉、温度加工窗口宽广的生产P(VDF-TrFE)铁电器件的技术。
[硕士论文] 辛兆鹏
材料科学与工程 武汉科技大学 2018(学位年度)
摘要:碳质电极是最早进行工业化生产并一直沿用至今的超级电容器电极材料,其优势主要表现在高的比表面积和优良的循环稳定性方面。泡沫碳作为典型的3D网状分级多孔碳质材料,在超级电容器、锂离子电池等领域表现出极大的应用前景。但由于泡沫碳传统模板法制备技术的局限性,其孔尺寸分布范围较窄,多以微米级孔(100-200μm)为主,比表面积难以满足超级电容器的需求。因此,从泡沫碳的制备技术出发,改善其孔尺寸分布,并针对其微米孔进行修饰,提高比表面积,是实现分级多孔泡沫碳电极在超级电容器中应用的关键。基于此,本论文提出以本征具有多尺寸分布特征的液相泡沫为软模板,结合微波固化及冷冻固化技术制备分级多孔结构泡沫碳,并在泡沫碳的制备过程中,将催化剂前驱体和氧化石墨烯引入树脂体系,通过催化剂高温催化作用和水热技术于泡沫碳孔壁上原位生长碳纳米管和石墨烯气凝胶,实现泡沫碳微米级孔的修饰,提高比表面积。具体研究结果如下:
  (1)以液相泡沫为软模板,结合微波固化法和冷冻固化法制备出微波固化泡沫碳(W-CF)和冷冻固化泡沫碳(F-CF),系统研究了炭化温度对两种固化方式得到的泡沫碳的结构及电化学性能的影响。结果表明:经微波固化和冷冻固化处理,W-CF和F-CF试样均较好的保存了液相泡沫原有的多尺寸分布孔结构,且在泡沫碳微米孔内壁形成了一定量树脂裂解产生的纳米孔;随着炭化温度升高,两种泡沫碳试样的比表面积和比电容量均呈降低趋势;炭化温度为800℃时,W-CF和F-CF试样的比电容达到最大,在0.5A/g电流密度下比电容分别为135.5F/g和120.9F/g。
  (2)在(1)的基础上,引入催化剂前驱体,通过高温催化作用在泡沫碳孔壁上原位生长一维碳纳米管,对其孔结构进行修饰。结果表明:对于碳纳米管修饰微波固化泡沫碳,其仍然保持分级多孔结构。炭化温度升高时,泡沫碳的比表面积、平均孔径增大,比电容随之增大,内阻减小。当增加催化剂量时,泡沫碳中催化生长出的碳纳米管量增加,但比电容有所降低。在炭化温度为1200℃,催化剂量为1wt%时,碳纳米管修饰微波固化泡沫碳获得最大的比表面积及比电容,分别为277.4m2/g和53.1F/g。对于碳纳米管修饰冷冻固化泡沫碳,当升高炭化温度时,其比表面积、平均孔径等略有提升,但其比电容变小,内阻增大。当催化剂量增加时,泡沫碳的孔中催化生长出的碳纳米管增多,此时泡沫碳的比表面积、比电容均有所提升。在炭化温度为1000℃,催化剂加入量为2wt%时,碳纳米管修饰冷冻固化泡沫碳获得最大的比表面积及比电容,分别为160.5m2/g和66.1F/g。
  (3)在(1)中泡沫碳制备的基础上,分别采用模板法和溶胶-凝胶法制备石墨烯气凝胶修饰分级多孔泡沫碳,系统的研究两种方法制备出的泡沫碳的结构与性能。结果表明:在模板法制备的石墨烯气凝胶修饰泡沫碳(W-CF/GA1和F-CF/GA1)中,多孔结构的石墨烯气凝胶填充在泡沫碳的孔中,对泡沫碳的孔进行修饰,使泡沫碳的石墨化程度提高,表面积显著提升,最终使其电化学性能得到改善。模板法制备的两种泡沫碳的比表面积分别为559.7m2/g和981m2/g,比电容分别为0.5A/g下158F/g和178.5F/g。在溶胶-凝胶法制备的石墨烯气凝胶修饰泡沫碳(W-CF/GA2和F-CF/GA2)中,多孔结构的石墨烯气凝胶同样填充在泡沫碳的孔中与泡沫碳之间结合较为紧密,对泡沫碳的孔结构进行修饰改善,提高泡沫碳的石墨化程度,明显提高泡沫碳的比表面积及比电容,降低电极材料的内阻。溶胶-凝胶法制备的W-CF/GA2和F-CF/GA2的比表面积分别为785.8m2/g和737.6m2/g,比电容分别为0.5A/g下211F/g和210.5F/g。
[硕士论文] 陈志睿
微电子学与固体电子学 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:有机/无机杂化钙钛矿型材料碘铅甲胺(CH3NH3PbI3,MAPbI3),因其具有合适的能带结构及低廉的制造成本,引起了学术界的广泛关注。使用碘铅甲胺作为光敏层的光伏电池,光电效率已经由2009年的3.8%,提升至了17.9%。介孔钙钛矿电池是最为常见的钙钛矿电池类型,其介孔层是分离和输运光生电子的重要结构,也为光敏层提供附着界面,在碘铅甲胺结晶时引导晶体生长。本研究致力于改变介孔层的形貌,通过制作人工孔洞的形式,增强其与光敏层的附着率,使碘铅甲胺在结晶时形成更良好的形貌。增加光生电子扩散的通道,减少电子-空穴对的复合几率,使短路电流上升,最终提高器件效率。
  本文在自制的纳米二氧化钛浆料中通过CTAB掺杂减少了浆料中的结块团聚现象,并使用了一种新的方法在浆料中分别添加碳纳米管和碳黑,通过高温热处理使其强制燃烧,在介孔层表面制作人工孔洞。FESEM测试表明,不同掺杂材料形成的人工孔洞结构不同。电化学测试发现未掺杂、碳纳米管掺杂及炭黑掺杂的器件效率分别是3.18%、3.71%和4.11%。结果说明由碳黑制造人工孔洞的器件效率最高。炭黑的掺杂比例优化实验表明,碳黑掺杂量为15wt%时,相较于其它掺杂量,器件效率最高,为4.29%,效果显著。碘铅甲胺前驱体溶液的浓度是一步法制备光敏层时影响其厚度的最重要因素。本文研究了在有人工孔洞的介孔层上制备光敏层所需的最佳前驱体溶液浓度,最终确定45wt%为最适合浓度,所得器件效率为4.57%。
  通过本文的研究,说明了介孔层孔隙结构对器件效率的重要影响,分析了造成这些影响的主要原因,同时也找到了一种改变介孔层孔隙结构的制备工艺,最终提高了器件的工作效率。
[硕士论文] 周遨
机械设计及理论 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:由于传统化石能源紧缺和全球气候变暖等问题,寻找新型清洁能源成为研究热点之一。质子交换膜燃料电池因其反应气体储量充分且可再生,反应高效、无污染等优点,成为公认的清洁能源之一,从而引起社会广泛关注。金属双极板作为燃料电池重要组件之一,为了寻找其经济高效的制备方法,对金属双极板的冲压工艺及成形装备的研究成为近年来首要解决的问题。
  本文对金属双极板的流道轮廓结构进行设计,模拟分析了不同的流道轮廓尺寸对金属双极板冲压质量的影响。在现有的双极板成形工艺和装备的基础上,提出金属双极板专用模具和压机的功能要求、结构特点、设计要求等,为金属双极板的制备提供参考,具体的工作内容如下:
  (1)比较不同材料双极板制备工艺优缺点,金属双极板材料性能基本满足且成本低,成形方法简单,选用不锈钢薄板作为双极板材料,并设计双极板轮廓结构。
  (2)根据板材冲压拉伸成形的起皱缺陷分析,对金属双极板的冲压成形进行了理论分析,得到双极板有无压边力条件下的起皱临界条件,为金属双极板的冲压成形提供理论指导。
  (3)比较不同流域场结构的性能优缺点,设计单S形双极板流道结构;建立有限元模型对金属双极板冲压成形分析,得到不同流道轮廓尺寸的板料成形极限图,得到不同的尺寸对不锈钢双极板的成形质量影响。
  (4)比较不同结构压机的工作特性,选择框架式结构作为金属双极板冲压机机身结构;结合数值模拟结果,双极板流道结构尺寸,并结合金属双极板冲压成形工艺要求,设计成形模具结构,加工模具,进行实验。
  (5)装配冲压模具,进行不锈钢双极板冲压实验,不同冲压工艺下金属双极板的制备,分析成形双极板质量,验证理论分析和数值模拟结果的正确性,成形模具和装备结构的合理性。
[硕士论文] 王晓娟
材料工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,由于原则上兼具高功率密度和低成本的优势,阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)受到各国政府和科技界较多的关注。作为AEMFC的核心组成部分,阴离子交换膜(AEM)的性能直接决定了AEMFC的性能优劣。由于OH-固有的离子淌度较低,为了提高AEM的离子电导率,通常需要增加薄膜的离子含量,但过多的离子含量会引起AEM力学性能的降低,甚至溶胀或溶解。因此如何平衡AEM吸水率、电导率以及机械性能三者的关系,获得综合性能优异的阴离子交换膜对优化AEM性能、推动AEMFC的发展具有重要意义。
  受到超分子化学研究的启发,我们在AEM的侧链上引入的酰胺基元,拟通过酰胺基元的氢键相互作用来实现阴离子交换膜的非共价交联,考察这种非共价交联作用对阴离子交换膜性能的影响。主要开展以下两个方面的工作:
  (1)合成了一系列含有酰胺基元的叔胺功能单体,将其与溴化聚苯醚通过门秀金反应获得侧链含有酰胺基元的梳状阴离子交换膜材料。我们通过溶解性实验、变温红外等手段证明在阴离子交换膜中存在酰胺氢键的相互作用,并且这种非共价交联作用赋予阴离子交换膜较好的结构稳定性和热稳定性。由于氢键作用是可以被极性溶剂选择性地破坏,该基于非共价交联的阴离子交换膜可以溶解于氢键破坏性溶剂,如DMF、NMP等,克服了传统共价交联型阴离子交换膜无法溶解的缺点。同时,由于氢键非共价交联作用的存在,PPO-SA在高温下具有较好的持水/保水率,显示出较高的离子传输效率和单电池功率密度(Pmax=122mW/cm,55℃)。同时,PPO-SA膜显示出非常好的韧性,其干态下的断裂伸长率达到101%,远优于已报道阴离子交换膜的断裂伸长率。
  (2)进一步合成含有两个酰胺基元的叔胺单体,从而制备侧链含有两个酰胺基元的梳型阴离子交换膜PPO-DA,以提高阴离子交换膜的侧链交联密度。PPO-DA的溶解性随着侧链取代度的提高而降低,呈现PPO-DA0.2>PPO-DA0.3>PPO-DA0.4,但由于非共价交联的本质,在加热条件下即使溶解性最差的PPO-DA0.4也可以溶解于NMP。与侧链含有单酰胺基元的阴离子交换膜PPO-SA相比,PPO-DA具有更高的尺寸稳定性和力学强度,在干态下,PPO-DA0.3和PPO-DA0.4的拉伸强度均高于60MPa,是含有单酰胺侧链阴离子交换膜(PPO-SA)力学强度的一倍。
  该初步研究结果表明,通过在阴离子交换膜中引入氢键非共价相互作用,可以在不损害薄膜溶解性的基础上,提高阴离子交换膜的尺寸稳定性、热稳定性、力学性能等,并赋予薄膜在高温下更好的持水能力,显示出常规共价交联所不具备的优势。该方法有望为阴离子交换膜的高性能化提供更多的调控手段。
[硕士论文] 郑天祺
电气工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:酸酐固化环氧树脂绝缘材料具有良好的介电性能,是GIS高压盆式绝缘子浇注制造的主要材料。但是,环氧树脂/酸酐固化产物的实际强度不足理论强度的十分之一,主要原因是固化产物中存在较大且分布不均匀的残余应力。残余应力的存在会使实际生产过程中的盆式绝缘子更易出现微裂纹、界面分层等缺陷,危害GIS设备的安全运行。
  环氧树脂/酸酐固化体系需要在高温下才能进行固化反应,由于固化体系导热性较差,固化成型过程中会产生不均匀分布的温度场,使固化体系收缩不均匀,继而形成残余应力,这是残余应力产生的主要原因之一。此外,高压盆式绝缘子的生产常使用环氧树脂添加α-Al2O3进行浇注,以提高绝缘材料的机械强度。随着Al2O3颗粒的加入,会引入分散不均、粒子团聚等问题,也会使环氧树脂固化体系内部形成应力集中。
  论文针对上述问题,本文制备了多种环氧树脂/酸酐固化体系样品,采用电测法对环氧树脂固化体系进行了残余应力测量,分析比较了固化体系内部不同部位的残余应力差异,研究了固化产物的残余应力的影响因素。制备了具有环氧树脂纳米复合涂层,对其放液体污秽、防沿面闪络性能进行了相关试验,建立了实验模型并对其进行了仿真计算。论文的主要内容有:
  (1)阐述了环氧树脂/酸酐固化体系绝缘材料的研究背景与意义,介绍了双酚A型环氧树脂、酸酐固化剂的基本特性,并分析了环氧树脂与酸酐直接反应,在叔胺促进剂作用下二者的固化反应两个方面的固化反应原理,根据环氧树脂固化反应的特性,分析了残余应力在整个体系的固化过程中产生的原因。
  (2)制备了多种配比的环氧树脂/酸酐固化体系样品,对环氧树脂样品进行了残余应力的测量,分析比较了固化物内部不同部位的残余应力,研究了冷却方式对固化产物的残余应力的影响。对比了不同环氧值环氧树脂固化物的残余应力情况。在环氧树脂固化体系中加入了不同添加量的微米α-Al2O3填料,对残余应力进行了比较。试验结果表明:样品中残余应力随到中心的距离的增加而降低,在表面达到最低;不同冷却条件下,冷却介质热导率越高,降温速度越快,残余应力越大;固体环氧树脂固化体系内部残余应力相比液体环氧树脂较低;微米Al2O3粒子添加量在300份以下时,残余应力随着添加量的增加而减小。
  (3)根据环氧树脂/酸酐固化体系的残余应力研究情况,考虑了制备工艺的可操作性,选择了残余应力较小的环氧树脂材料,制备了环氧树脂/酸酐/纳米二氧化硅的复合涂层,研究了液体污秽在环氧树脂复合表面上的运动规律,开展了环氧树脂复合涂层的液体碰撞沿面放电试验,研究了环氧树脂复合涂层的沿面放电形貌特征,测量表面的泄漏电流、闪络电压,进行了试验模型仿真计算。环氧树脂纳米复合涂层具有一定的防止沿面闪络形成的能力,当其表面的液体污秽发生碰撞时,会先发生铺展、溅射,然后回缩,呈一定的接触角黏附与涂层表面。这一过程中使得大部分的液滴被弹开,小部分的液滴粘附后对沿面闪络的影响不是很大,因此整体上来说对沿面闪络具有一定的防护能力,工程上有潜在的应用价值。
[硕士论文] 费志洋
机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:金属磁记忆检测技术是一种新型无损检测方法,检测对象是铁磁性材料,通过采集力磁耦合作用产生的弱磁信号来评估材料的应力分布及其水平,但信号易受到环境磁场的影响。因为铁磁性材料在不同的环境磁场中受应力作用后产生的磁信号差别较大,所以该技术在实际工程应用中需要明确的励磁强化机制作为指导。本文对激励磁场强化磁记忆信号的机制进行了研究,并将研究结论与工程实际相结合,应用到磁场辅助等离子喷焊的热残余应力检测当中,拓宽了该技术的工程应用领域。
  为了探讨激励磁场对磁记忆信号的强化机制,本文用45钢试样进行静载拉伸试验,发现激励磁场对力磁耦合作用的影响ΔH是随着应力的增大而呈指数形式递增的。从磁导率与应力及环境磁场变化关系的角度,在理论上计算了外加激励磁场下的力磁耦合与力、磁单独作用下的表面磁场强度之差ΔH,并推导出该差值随着应力的增大而增大,理论推演与实验结果相吻合。最后,展开正交实验验证了外加激励磁场对磁信号的强化是显著的。这为该技术在磁场辅助喷焊质量检测中的工程应用提供了理论依据。
  在等离子喷焊过程中施加激励磁场不仅可以改善加工质量同时也会强化热残余应力的磁记忆特征信号。本文搭建了激励磁场下的等离子喷焊实验平台,对地磁场与激励磁场下的45钢材料进行喷焊并采集热影响区的磁记忆信号,发现在地磁场下的磁记忆特征信号微弱,而激励磁场下的信号随热残余应力集中程度变化而变化的特征明显。提取并发现磁信号切向分量的峰值与均值之差ΔH(x)和法向分量的峰谷值ΔH(y)可以对热残余应力水平进行表征,激励磁场对这两个特征量强化作用明显。此外,通过对喷焊后材料金相组织的观察发现与熔覆区域距离越近的热影响区晶粒度越大,而晶粒度越大的部分磁导率也越高,相应的在激励磁场作用下磁信号特征越明显。
[硕士论文] 许冬
化学工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:随着人们对能量储存效率要求的提高,近年来超级电容器被作为一种高效率的储能器件而被人们广泛的研究。所以,本论文是以围绕如何优化超级电容器电化学性能为中心而展开。首先,利用模板炭化法制备性能良好的电极材料;其次引入两种氧化还原添加剂到超级电容器中来提高其电化学性能。同时,通过对比两种氧化还原添加剂的电化学特征,两种添加剂之间的协同效应也被分析。最后,利用各个样品的电化学数据分析结果,探讨了几个重要因素对超级电容器性能的影响。其具体的分析结果如下:
  为了提高超级电容器的电容,二元氧化还原添加剂体系已经被广泛的运用(如将一定量的钼酸钠和碘化钾添加到硫酸溶液中组成二元体系)。这主要是因为两种不同的添加剂在相同的电压区间可能会产生协同效应。并且这种协同效应主要是归因于在氧化还原过程中形成了一种复合物(MoxIyO4x)n-Cz,而这种复合物能够在电极材料和电解液界面之间促进Mo离子和I离子的氧化还原反应。在另一方面,这种协同效应还受到许多因素的影响,如两种氧化还原添加剂的摩尔比、添加剂各自的浓度和工作的电压窗口。并且,在二电极体系和电流密度为3A g-1的情况下,同时引入0.1mol L-1钼酸钠和0.1mol L-1碘化钾到1mol L-1硫酸当中,可以发现超级电容器的比电容得到了明显的提高(其比电容是没有添加任何添加剂样品的17.4倍)。并且,在合适的电压窗口(0~1V)下,相对应的能量密度约高达65Wh kg-1。此外,这些多种氧化还原添加剂之间的协同可以被广泛的推广到其他体系,用来来提高超级电容器的电化学性能。
  其次,在本论文中,利用对称二苯硫脲和Mg(OH)2粉体分别作为炭前驱体和模板剂,来制备一种新型高比表面积的二维纳米炭材料。然后,基于两种有效的氧化还原添加剂1,4-二羟基蒽醌(DQ)和对苯二酚(HQ)分别在电极材料和电解液(H2SO4)界面之间的合作效应,来显著地提升超级电容器的电容性能。更为重要的是,这种合作效应是来源于发生在电极炭材料中DQ和H2SO4电解液里HQ两种物质连续的氧化还原反应过程。此外,DQ和HQ氧化还原添加剂的用量对超级电容器的电化学性能起着决定性的作用。因此,通过一系列的实验数据对比发现,能够确定最佳的实验条件是:在固体电极中DQ物质的质量和多孔炭材料的质量比为1∶1;同时在1mol L-1H2SO4电解液中:HQ物质的浓度为20mmol L-1。结果表明,在最优的实验参数下,当电流密度为3Ag-1时,超级电容器最大比电容能够达到239Fg-1,并且相应的最大能量密度达到21.1Wh kg-1,而这是没有引入任何氧化还原添加剂样品能量密度的3.5倍。
[硕士论文] 张劲波
化学工程与技术 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:锂-空气电池由于具有极高的能量密度而被视为比锂离子电池更具应用前景的储能器件。在其正极催化剂研究方面,过渡金属氧化物由于种类众多,合成方便,成本较低且催化活性良好获得了广泛的研究和关注。本论文以过渡金属氧化物中典型的几种氧化物LaNiO3(LNO)、α-MnO2和Co3O4为研究对象,制备出N掺杂钙钛矿LaNiO3(LNON)催化剂和复合催化剂α-MnO2/Co3O4,并通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X-射线光电子能谱仪(XPS)等相关测试手段对制备出的材料进行表征,并探究其在碱性水系电解液中的催化活性和相应锂-空气电池中的电化学性能。
  在N掺杂LaNiO3中,通过旋转圆盘电极测试发现氮化时间为4h的样品LNON/4h在0.1MKOH中表现出最高的氧还原(ORR)和氧氧化(OER)极限电流密度,同时ORR反应电子数也最接近4。将LNON/4h应用于锂-空气电池正极催化剂,探究其电化学性能。结果发现,以负载在正极上的催化剂为计算基准时,在电流密度为50mA g-1下,负载LNON/4h催化剂的锂-空气电池首次放电比容量为5910mAh g-1,明显高于LNO电池,同时LNON/4h电极也具有最低的过电压。此外,在不同的电流密度下,LNON/4h的电池表现了良好的倍率性能和容量保持率。在电流密度为250mA g-1,限制容量为500mA h g-1,电压范围为2.5~4.7V下循环测试时LNON/4h电池可以稳定循环50圈。通过对氧电极进行SEM表征发现,LNON/4h催化剂由于具有更高含量的氧空位能够有效促进放电产物Li2O2的生成和分解,从而明显改善锂-空气电池电化学性能。
  对于复合催化剂α-MnO2/Co3O4,其催化活性的提高不仅与α-MnO2和Co3O4的协同效应有关,也与复合时产生的界面效应有关,即复合时少量Co原子进入α-MnO2晶体内,导致复合催化剂中的吸附氧含量升高,氧空位增多。在ORR和OER极化曲线中,γ-MnO2/Co3O4催化剂均表现出最优起始电压和最高的极限电流密度。同样地,将α-MnO2/Co3O4催化剂应用在锂-空气电池中考察其在有机电解液中的电化学性能,以负载在氧电极上的碳材料KB质量为计算标准。在电流密度为100mAg-1下,负载α-MnO2/Co3O4催化剂的锂-空气电池首次放电比容量为5699mAh g-1,同时也具有最低的过电压为1.22V。在不同的电流密度下,负载α-MnO2/Co3O4的电池表现了良好的倍率性能和容量保持率。在电流密度为500mAg-1,限制容量为1000mAh g-1,电压范围为2.2~4.7V下循环测试时,负载α-MnO2/Co3O4的电池可以稳定循环40圈。
[硕士论文] 高磊
材料物理与化学 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:具有卓越电催化性能和低成本的阴极材料是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的关键组成之一。在中温(500-700℃)条件下能展示出高电化学活性的阴极材料有利于提高SOFC的性能。本论文以钙钛矿结构(ABO3)的离子-电子混合导体(MIEC)Bi0.5Sr0.5FeO3-δ(BSF)为研究对象,通过元素掺杂对母体材料进行改性,利用阳离子(Cu2+/Nb5+/Sb5+)对B位进行掺杂,碱土金属离子(Ca2+/Ba2+)对A位掺杂,以及母体材料与电解质Ce1.9Gd0.1O1.95(CGO)复合,分别合成了Bi0.5Sr0.5Fe1-xCuxO3-δ、Bi0.5Sr0.5Fe1-xNbxO3-δ、Bi0.5Sr0.5Fe1-xSbxO3-δ、Bi0.5-xCaxSr0.5FeO3-δ、Bi0.5-xBaxSr0.5FeO3-δ和Bi0.5Sr0.5FeO3-δ-CGO系列阴极材料,研究其作为IT-SOFC阴极材料的性能。
  1、运用传统高温固相法分别合成了Bi0.5Sr0.5Fe1-xCuxO3-δ(x=0.05-0.20),Bi0.5Sr0.5Fe1-xNbxO3-δ(x=0.05-0.15)和Bi0.5Sr0.5Fe1-xSbxO3-δ(x=0.05-0.15)阴极材料。在高温条件下,所有样品与CGO电解质表现出良好的高温化学相容性,长时间烧结二者不会发生化学反应。Cu元素的掺杂不仅增加了材料的电导率和氧空位浓度,而且提高了阴极的电化学性能。700℃时,Bi0.5Sr0.5Fe0.8Cu0.2O3-δ阴极具有最低的极化电阻为0.13Ωcm2,阴极的电流密度达到125mA cm-2(37mV)以及输出功率密度达到0.78W cm-2。Nb和Sb元素的掺杂提高材料的稳定性、透氧性能和电化学性能。其中,Bi0.5Sr0.5Fe0.9Nb0.1O3-δ阴极在700℃时,极化电阻仅为0.038Ωcm2,输出功率密度达到1.51W cm-2。而Bi0.5Sr0.5Fe0.9Sb0.1O3-δ阴极在600℃时,电极极化电阻和输出功率密度分别为0.098Ωcm2和0.95W cm-2。
  2、进一步探究在A位掺杂碱土金属对母体材料的性能改善,利用高温固相法合成了Bi0.5-xCaxSr0.5FeO3-δ(x=0.05-0.15)阴极材料。得出Ca离子的掺杂能够增大材料的电导率,降低材料的热膨胀系数,提高电化学性能和热相容性。700℃时,Bi0.4Ca0.1Sr0.5FeO3-δ阴极的极化电阻为0.052Ωcm2,输出功率密度为1.23W cm-2。随后合成了Bi0.5-xBaxSr0.5FeO3-δ(x=0.05-0.10)阴极材料。Ba元素的引入也提高了阴极材料的结构稳定性和电化学性能。Bi0.4Ba0.1Sr0.5FeO3-δ阴极在700℃时,极化电阻仅为0.078Ωcm2,输出功率密度为0.92W cm-2,低于钙钛矿阴极材料BSF(0.26Ωcm2),是具有潜在应用价值的中温阴极材料。
  3、通过机械混合的方法合成了Bi0.5Sr0.5FeO3-δ-CGO(BSF-CGO)复合阴极,对物理及电化学性能进行研究。结果表明BSF阴极与CGO电解质复合能有效地提升阴极材料性能和电极与电解质间的界面接触。当CGO的复合量为30wt.%时,复合电极的极化电阻为0.14Ωcm2,数值约为母体BSF材料的1/2,输出功率密度为0.71W cm-2。表明CGO的复合能明显提高阴极材料的电化学性能以及增加三相界面处的活性位点。
[硕士论文] 唐波
环境科学 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:工业生产的迅速发展使得人类对能源的需求量与日俱增。传统化石能源(煤、石油和天然气等)的大量开采和不科学利用使其储量急剧下降并且给自然环境造成了巨大的危害。因此,寻求一种环保的能源以逐步替代化石能源是有效缓解能源和环境问题的有效方法。直接甲醇燃料电池(DMFC)具有燃料可再生、价格低廉、安全、能量密度高、方便储存和运输等优点,被认为是一种非常有前景的清洁能源利用技术。然而,阳极Pt催化剂较差的稳定性、易CO中毒和高昂的价格等缺陷都严重地制约了DMFC的实际应用。研究表明,以合适的助催化剂辅助Pt基催化剂能有效地提高其甲醇氧化反应(MOR)活性、稳定性和抗毒性。
  本文从解决Pt基催化剂较差的稳定性、易CO中毒和高昂的价格等问题出发,制备并研究了过渡金属硫化物载体对DMFC阳极催化剂的助催化性能,得到具有高稳定性、强抗毒性和高MOR助催化活性的Pt基载体。主要研究内容及结果如下:
  通过改变MoS2和氮掺杂碳(CNX)的质量比,采用一步水热法制备了具有珊瑚礁结构的MoS2/CNX复合材料,并用作为Pt(5wt.%)基催化剂的载体和助催化剂应用于MOR。以泡沫镍(NF)为基底,通过控制Mo源的量,进一步合成制备了Mo掺杂Ni3S2纳米棒(MoS2/Ni3S2-nrs/NF)复合材料作为Pt(0.5wt.%)基载体和助催化剂应用于MOR。
  其中,在酸性条件下,Pt/MoS2/CNX表现出高的甲醇氧化活性,其电化学表面积和质量比活性分别为111.2m2gPt-1和1030.2mA mgPt-1并且表现出较好的稳定性。这些性能都远优于商业10wt.%Pt/C(质量比活性405.4mA mgPt-1)。在碱性条件下,Pt/MoS2/Ni3S2-nrs/NF(805.4mA mgPt-1)也展现出了高于商业Pt/C(10wt.%)(408.8mA mgPt-1)的质量比活性。此外,Pt/MoS2/Ni3S2-nrs/NF还表现出极强的MOR稳定性。根据理论计算可知,这要归功于Ni3S2对Pt纳米粒子极强的合作用有效地阻止了Pt纳米粒子在MOR过程中的脱落、迁移、团聚。另外,MoS2纳米粒子、Ni3S2-nrs与Pt纳米粒子的之间的相互作用,进一步提高了Pt纳米粒子的分散,这些性质的改变都有效的提高了催化剂材料的MOR活性和稳定性。
[硕士论文] 饶娟
材料工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:随着社会的大力发展,人们越来越担心使用不可再生的化石燃料对环境,气候和身体健康带来毁灭性的影响。使用绿色能源包括太阳能和风能,成为支持社会可持续性发展的有效途径之一。在这一方面,锂离子电池发挥着至关重要的作用。锂离子电池固有的低的能量密度,差的循环稳定性,也阻碍了它们在高速发展的电子工业和新兴的移动运输设备中的应用,如电动汽车等领域。因此开发无污染,成本低,能量密度高,循环稳定性好的电池能源体系势在必行。单质硫和碲为同主族元素,硫在自然界丰富度高,无污染,能量密度高,但其导电性差,易生成与电解液反应的多硫化物,形成穿梭效应,使得活性物质量减少,电池体系的循环稳定性降低。碲和硫具有类似的化学性质,导电性好,因其密度大,使得和S、Se具有相当的体积能量密度。本文通过简单的方法制备合成了以硫和碲为活性物质的硫/碲-碳复合正极材料,解决电池体系中能量密度低,循环稳定差等一系列问题,且多孔碳结构对正极活性物质及其中间产物具有固定作用。能实现较好的电池性能。
  同锂离子电池相比,锂硫电池现引起了研究者的的广泛注意。锂硫电池的能量密度为目前商业化的钴酸锂电池的五倍左右,具有极大地应用潜力。然而,硫的导电性差,负载率低以及多硫化物的“穿梭效应”影响了锂硫电池的商业化发展。本文中,将正极活性物质硫单质负载在疏松多孔的聚吡咯纳米纤维中,制备成复合材料PPy/S;再按照氧化石墨烯-聚吡咯/硫-氧化石墨烯的顺序进行抽滤,得到三明治结构的GO-PPy/S-GO复合材料;最后将该材料浸入氢氟酸中,将氧化石墨烯还原为石墨烯,得到石墨烯-聚吡咯/硫-石墨烯(G-PPy/S-G)复合硫正极材料,该材料在锂-硫电池中展现出了优异的电化学性能,在0.1C的倍率下,首圈放电1165mA h g-1,在此倍率下循环50圈依然持有680mA h g-1的可逆比容量。在倍率循环中,在1C和2C的高倍率下分别持有630mA h g-1、370mA h g-1的可逆比容量。库伦效率中,该材料的库伦效率稳定维持在100%左右。该材料中疏松多孔PPy,有效提高了硫的负载量,且石墨烯三明治状结构,能有效提高正极导电性,抑制多硫化物的溶解,缓解硫活性物质的体积膨胀,改善材料的电化学性能。
  锂碲电池与锂硫、锂硒电池体积能量能量密度相当,已经成为目前的研究热点。本文中采取了一种新颖的离子交换的方法制备出了复合碲正极。碳基底采用的多巴胺碳,此碳中含有氮元素且含有较多的微孔,能够更好的固定中间物,实现优异的电化学性能。在锂碲电池中,0.1C的倍率下,其首圈充电比容量323.2mA h g-1,在循环300圈以后,充电比容量266.1mA h g-1,循环保持率为82%,库伦效率接近100%。锂碲电池相对于锂硫和锂硒电池来说研究历史较短,这就使得对锂碲电池的研究成为目前的一个热点。
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