封面说明

<正>微流体燃料电池利用燃料和氧化剂在微通道内形成的平行层流流动来分隔阴阳极,去除了质子交换膜及其相关的成本高、膜降解老化等问题,是一种极具前景的微型电源技术.采用碳毡作为三维多孔可渗透阳极来增加比表面积、强化反应物的传输,是提高电池性能的有效手段.通过对采用碳毡和碳纸制备的电极进行扫描电子显微镜图片分析,发现了碳毡电极较大的孔隙率使得传质     

燃料电池薄膜在不同电流密度下的水传递规律

为了提高燃料电池的性能而采用的质子交换膜越来越薄,但薄膜会带来水的反渗透而导致阳极水淹问题.为了研究低加湿条件下不同电流密度燃料电池薄膜的水传递规律,设计了三维简化电池模型并导入FLUENT软件,在工作温度75°C、操作压力150 kPa、阴极不加湿条件下进行了气流场及电化学模拟计算,并设计露点仪水平衡实验测试实际情况下水的传输通量,与模拟计算数值进行对比分析.研究发现使用15μm薄膜,电流密度增大到超过0.4 A/cm2以上并继续增大时,会持续发生总水量传递通量朝向阳极的现象,而当电流密度大于3.0 A/cm~2时,这一现象将减缓.同时研究还发现越薄的质子交换膜传递的总水量将越多.     

用于超级电容器的柔性多孔富氮碳电极的制备与性能

柔性固态超级电容器作为一种新型能量存储器件,与传统平行板电容器相比可以达到更高的能量密度,相比普通电池则具有更大的功率密度和循环使用寿命,展示出良好的电化学性能,并具有高功率密度和循环稳定性好等优点,因而受到越来越多的关注,在可穿戴设备、柔性电子器件等诸多领域有着广泛的应用.目前,柔性电极材料的选取与制备是柔性超级电容器研究中十分活跃的方向,其中,碳基电极因为具有良好的电导性能、循环稳定性、高功率密度等特点,被国内外学术界广泛认可.本文提出了一种高效、简便制备碳基电极的方法,得到多孔富氮纳米片结构的碳电极,并对不同实验条件下的碳化电极样品做了全面的表征分析与性能测试,得到了较为理想的柔性碳化电极样品,其质量比电容达26 F/g,面积比电容达226 mF/cm2,等效串联阻抗仅为4?,具有很好的电化学性能.     

碳包覆的蛋黄壳结构氧化锰锂离子电池负极材料

基于锂离子电池在循环过程中产生的体积效应严重影响整个电池的循环稳定性的问题,本研究设计了一种利用聚吡咯包覆金属有机框架的简单方法,来合成蛋黄壳结构的碳包覆氧化锰材料,并用于锂离子电池的负极材料.所制备的碳包覆氧化锰纳米颗粒在锂离子电池充放电过程中表现出良好的比容量,在0.1, 0.5和2 A g~(–1)的电流密度下分别表现出723, 651, 374 m Ah g~(–1)的比容量.在具有优异的倍率性能的同时,该材料还具有优异的稳定性.在上述3个电流密度下,该材料循环200圈后容量没有明显的衰减.该纳米结构MnO_x的制备方法和电化学理解也可以推广到其他过渡金属氧化物,最终实现高性能的锂离子电池.     

铝箔在甲基烷基咪唑四氟硼酸盐离子液体电解液中的电化学行为

铝箔作为集流体被广泛应用于锂离子电池和电解电容器等电化学器件中, 而它在电解液中的电化学行为直接影响电化学器件的性能和安全. 通过循环伏安法研究了铝箔在甲基烷基咪唑四氟硼酸盐离子液体及其与锂盐LiN(SO₂CF₃)₂ (简称LiTFSI)组成的电解液中的电化学行为. 结果表明: 铝箔在离子液体BMI-BF₄及锂盐LiTFSI组成的电解液中极化时表面生成了牢固的钝化膜, 这对电化学器件集流体铝箔的保护十分有利. 将铝箔在离子液体BMI-BF₄和BMI-TFSI中进行阳极极化, 对比发现, 铝箔在离子液体BMI-TFSI中并没有形成较好的钝化膜, 而在离子液体BMI-BF4中的铝箔表面生成了抗腐蚀性能较好的钝化膜, 其击穿电压高达94.58 V. X射线能谱仪(EDS)和X光电子能谱仪(XPS)分析结果表明, 铝箔在离子液体BMI-BF₄中阳极极化后表面存在F和O, 形成了类似氟化物(如AlF₃)和氧化物(如Al₂O₃)的钝化膜.     

Cocore-Pdshell / C nano-catalyst for electro-catalytic oxygen reduction performance

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有功率密度高、能量转化效率高和燃料易于携带等优点,是一种极具竞争潜力的便携式、可移动能源.然而,DMFC商业化尚存在一些问题.就阴极而言:一是阴极催化剂高的过电位和高的Pt用量;二是透过质子交换膜从阳极渗透到阴极的甲醇造成阴极“混合电位”效应,导致阴极过电位增加了0.2～0.3V,电池效率下降约1/3.核壳结构的双金属催化剂作为一种新型催化剂,它具有包覆层金属和金属核的双层物化性能,不仅拥有合金型催化剂的反应活性和选择性,而且在酸性介质中可以避免过渡金属的溶解,使得催化剂的性能得到改善.开发并研究核壳型的电催化剂是减小混合过电位、降低电池成本的重要手段.     

基于多酸制备的新型氮化钼基复合材料作为锂离子电池负极材料

锂离子电池作为新一代储能装置,已经在生产和生活中得到了广泛应用.多酸有着多电子转移、化学结构稳定、氧化还原性可逆等诸多优点,具有作为电池电极材料的良好潜力.但易溶于电解液、导电性差且易发生团聚等问题阻碍了多酸用于电池电极材料的应用研究.本工作为解决上述问题,充分利用磷钼酸良好的水溶性、优异的氧化还原性和独特的酸性,通过简单的一锅法,在温和的条件下制备了磷钼酸/聚吡咯/石墨烯前驱体(PMo12/PPy/RGO,简称PCG),并通过高温氨化处理制备了新型氮化钼基复合材料(NPC@Mo2N/NPRGO),磷钼酸、聚吡咯在提供金属源和碳源的同时也提供了P,N杂原子掺杂到多孔碳和石墨烯中,该材料作为锂离子电池负极材料表现出较好的循环性能和倍率性能.在电流密度为100m A/g时,NPC@Mo2N/NPRGO的首周放电比容量可以达到1446 mAh/g,循环200周后仍然可以达到771 mAh/g.在电流密度为100, 200, 500, 1000, 2000 mA/g时,循环比容量分别为797,725,630,545,460m Ah/g.尤其是在大电流密度(1000m A/g)循环300周后容量仍能达到554mAh/g.     

多孔氢氧化钴薄膜的制备及其超级电容器性能

采用水热合成法在泡沫镍基体上制备了多孔氢氧化钴薄膜.薄膜由厚度约为20nm的氢氧化钴片层组成.通过循环伏安法、恒电流充放电测试法等对多孔氢氧化钴薄膜电极在2mol/LKOH电解液中进行电化学性能的测试.结果表明,多孔氢氧化钴薄膜具有良好的赝电容性能.在室温条件下,当电流密度为2A/g时,多孔氢氧化钴薄膜比容量达到935F/g,且其大电流放电性能优良,电流密度为40A/g时其比容量达到589F/g.多孔薄膜还表现出良好的循环特性,在电流密度2A/g循环1500周期后,容量保持率为82.6%.     

煤基/碳基固体氧化物燃料电池技术发展前沿

作为新一代能源技术,固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell, SOFC）发电系统具有能量转化效率高、燃料适应性广、价格低廉、安全方便等特点。SOFC技术通过长期研究和发展,其电解质、阴极、阳极等关键材料核心技术已经突破,并初步具备产业化发展的基础,但其整体性能的优化仍有待深入研究,其中解决碳基燃料SOFC长期稳定性是实现SOFC商业化的关键所在。必须进一步探索SOFC发电技术中碳基燃料电化学和催化化学过程,解决材料稳定性、界面相容性和耐热循环性,系统中传热、传质与电极反应耦合等科学问题;发展纳米微米级薄膜制备技术、SOFC电池堆装配和系统集成技术,实现SOFC整机性能的稳定和优化,推动SOFC跨越式发展。     

金属硼化物作为水溶液负极材料的制备与容量输出性能

通过机械球磨法制备了TMB0.5(TM=Co,Mo,V)类过渡金属硼化物.在碱性电解质溶液中,合成的金属硼化物表现出显著的电化学活化行为,其放电容量明显高于单质金属与硼单独放电的容量之和,其中过渡金属实现的放电容量约为其单独放电时的2倍.同时,作为负极应用,该金属硼化物的阳极极化明显降低,与空气电极构成电池后,恒流放电电压平台相对于单质金属提高了100～300mV.表明金属硼化物中过渡金属与硼可以相互活化,从而实现电化学性能的共同显著提高.     

碳基柔性电极的结构设计、制备和组装

柔性电子器件日益流行,给人们的日常生活带来了巨大的变革,同时也激发了柔性储能器件的设计和研制,其中,柔性锂离子电池引起了广泛的关注.为了获得柔性储能器件,首先需要制备柔性电极,即要求在反复变形状态下,电极能够保持优异的力学和电学性能.碳材料具有优异的力学性能和导电性,不仅能够直接制备柔性电极,还能够与活性材料复合,作为基底提供自支撑的导电网络.但是"刚性"的活性材料与"柔性"基底从力学和形态本质上均不匹配,二者的复合、组装、制备方法及其结合强度直接影响电池的电化学性能.本文综述了近年来碳纳米管、碳纳米线、石墨烯、石墨炔及碳布等碳基柔性电极的发展情况,着重分析了自支撑柔性电极的制备方法、结构特征与电化学性能的关系,同时简要总结了目前几种典型结构的柔性锂离子电池,探讨了碳材料柔性电极面临的挑战,并对其未来发展方向进行了展望.     

克雷伯氏菌燃料电池的电子穿梭机制研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)中阳极电子传递过程是决定MFC产电的关键因素与限速步骤. 以肺炎克雷伯氏菌L17 菌株为催化剂, 构建了阳极包裹型MFC反应器, 对其阳极电子传递机制进行了探讨. 结果显示, 碳毡阳极经0.22 ?m微孔滤膜包裹后, 尽管排除了L17菌株与阳极直接接触 (即生物膜产电途径) 的可能性, 包裹型MFC仍能成功启动, 但其启动时间相对延长(270 h, 120 h)、输出电压降低(350.0 mV, 420.0 mV); 阳极液更换试验发现, 未包裹MFC电压可在48 h内恢复, 而包裹型MFC则约需要120 h, 暗示除生物膜机制以外, 克雷伯氏MFC中还存在电子穿梭机制, 即L17菌体生长过程中可产生某种具有电化学活性的电子穿梭体, 穿梭于菌体和阳极间传送电子. 循环伏安扫描进一步证实电子穿梭体的存在; GC-MS检测表明它为2,6-二叔丁基苯醌(2,6-DTBBQ). 据此, 提出了克雷伯氏菌MFC中的2,6-DTBBQ穿梭产电机制.     

燃料电池技术的进展

在五十年代兴起的燃料电池研制发展热潮在六十年代中期达到最高峰。这一阶段的发展重点是碱性燃料电池(AFC),其最显著的成就是在阿波罗登月飞行中成功地应用了燃料电池(PC3A-2,φ57×112cm,110kg,额定输出1.42kw,27～31伏,平均使用功率0.6kW,寿命500小时)。阿波罗计划完成后,研制工作一度转入低潮。但由于中东战争引起的能源危机的推动,从七十年代中期起又一次出现热潮。不过这次发展重点已转为用作地区性发电装置的兆瓦级磷酸燃料电池(PAFC)。事实上,从1967年起美国煤气协会已开始发展十kW级的用作局部的联合供电供热装置的PAFC系统(TARGET计划),但大量投入人力物力在七十年代中期以后。当然,在这段时期,AFC系统的研制也并未停顿。美国空间渡船用的PC-17C(每船用三组)尺寸为35×38×10cm,90kg,额定输出为12kW,27.5V(比功率133W/kg,未计燃料容器),平均工作寿命达到2000小时;近年又提高到18kW,120kg(150W/kg)。还发展了高比功率(250W/kg)的2kW AFC系统,其中电池组本体的比功率达到550W/kg(PC-17C为275W/kg),还将阳极催化剂用量降低到<1mgPt/cm~2(PC-17C用8mgPt+2mgPd/cm~2)。取得这些进展的关键是采用PTFE粘结碳电极,不过当工作温度>80℃时氧阴极上碳的腐蚀问题并未完全解决。美国宇航局的目标是建立能与用太阳能电池驱动的固体聚电解质(SPE)电解水器联用的空间站用AFC系统,能长时间可靠地工作而整个电池系统的重量不大于12kg/kw(电池部份7kg/kw)。在西欧(法Alstrom,荷比ELENCO计划,西德Siemens)也在进行规模较小的目标在于地面交通器动力装置的AFC研究与发展计划。     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.     

多孔碳材料的设计合成及其在能源存储与转换领域中的应用

人类当前面临越来越突出的能源短缺和环境恶化两大难题,新能源的开发具有极其重要意义.超级电容器是实现能源存储与转换的一种新兴绿色储能器件,具有非常广阔的应用前景.电极材料是储能器件的关键部件,而比表面积、孔结构、电导率和表面性质是决定其电化学性能的4个关键因素,上述因素通常又依赖于其合成方法和条件.多孔碳材料具有成本低廉、比表面积与电导率高、微结构可控/表面易于功能化以及优越的化学稳定性和突出的离子可及性等特点,通过合成方法和条件的调控,设计合成的多孔碳作为储能材料使用时展现出高的能量密度与功率密度,以及优越的电化学循环稳定性能.本文首先介绍目前活性碳、碳气凝胶、碳纤维、介孔碳、碳纳米管和石墨烯等多种形态的碳材料的研究进展;然后结合本研究组的研究工作,对分级孔碳、多孔碳球、超微孔碳、功能化多孔碳以及多孔碳复合材料的设计合成及其在能源存储与转换领域中的应用研究状况进行总结;最后对其发展趋势作出适当的评述.     

新型强酸性清洁压裂液的研究与应用分析

目前石油压裂领域中所用的清洁压裂液基本均在碱性条件下成胶.强碱性液体在地层中与岩层反应生成的不溶沉淀物将会对储层渗透率造成严重的伤害,并在施工设备表面形成污垢难以清除.本文所述的强酸性清洁压裂液是一种新型的清洁压裂液,通过由表面活性剂和反离子盐在酸溶液中形成的黏弹性流体而进行携砂压裂,其可以在强酸性环境中(pH2)成胶从而有效携砂,并应用于80℃以下的地层之中,其抗剪切性能优良,携砂性能和缓蚀效果好,原油破乳率达到90%以上,在地层中遇油气或遇水均能彻底破胶、无残渣,不会对地层造成永久性伤害该新型强酸性清洁压裂液集合了酸性压裂液和清洁压裂液二者的优点,在保护地层的同时对油气层既有酸蚀作用,又有支撑压裂作用,尤其对含钙砂岩储层的增产效果十分明显,已经成功应用于大庆油田,单井增产达9倍,增产倍比是普通压裂井的2~4倍.     

柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其应用

采用水热法将商用二氧化钛(P25)、无水乙醇和蒸馏水置于高压釜中搅拌分散, 得到二氧化钛浆体. 采用刮涂法在ITO/PEN衬底上低温制备了柔性光阳极和染料敏化太阳能电池, 进行SEM, UV-vis, FTIR和电池光电性能等表征和测试, 分析不同条件对柔性太阳能电池性能的影响. 结果表明, 在185℃高压釜中水热处理12 h制备的二氧化钛浆体, 稳定性高, 均匀性好. 所组装的柔性染料敏化太阳能电池在100 mW/cm2模拟太阳光照下, 光电转换效率达到3.4%.     

离子束活化氢电极在碱中的催化性能

研究析氢活性电极对燃料电池、氢能和氯碱等电化学工业有重要实际意义,对查明电催化过程和析氢机理有重要理论价值.提高析氢阴极的活性和稳定性是电化学领域中最引人注目的课题之一.国内外研究十分活跃.作者应用离子束技术得到高活性析氢阴极,开辟了离子束化学的新方向.近来作者采用Mo、W和C离子束对Ni、Mo和W组成的表面合金进行改性,得到一系列在酸性介质中稳定的高活性新型析氢电极,本文报道这些电极在碱性介质中的行为.     

Ni/MH电池过充电热效应分析

利用微量热仪对Ni/MH电池过充电时的热效应进行了分析. 电池通过一个保护装置安装在一台以石英频率温度计为测温装置的微量热仪中. 实验测量了电池在不同荷电态(SOC)下以不同电流过充电时的热容量和发热量数据. 基于一系列简化假设建立热传导方程, 实验结果经过拟合得到了描述充电过程的发热速率曲线方程, 取代以往研究中发热速率的理论计算方法. 用曲线拟合得到的方程和热容量数据建立了二维热效应模型, 对过充电热效应进行了数值模拟, 计算结果与实验结果基本吻合. 模型显示电池内温度分布差异很大, 这归因于电池内部材料传热性能不佳. 电池的传热性能与电池材料如电极、隔膜和电解液等性质有关, 很难有较大改善, 所以, 在实际使用中应该尽量避免高倍率长时间充电, 以免对电池造成损害.     

由局外粒子吸脱附诱导的一类新的电化学振荡

自组织现象和理论研究是当今科学前沿之一.化学的基本规律是非平衡和非线性的,近年来随着非线性动力学的发展,有关金属阳极溶解和电催化等电极过程中的电流或电位振荡现象的研究成为一个热点课题[1～3].电化学振荡大都对应着电极表面的阻化、活化交替过程[4],如金属阳极溶解过程中难溶性盐膜的生成和溶解,电催化过程中中间产物的吸附和脱附,且大多与反应和产物粒子的传质过程密切相关.在金属防腐蚀、电镀和电池等实用电化学体系中有关添加剂性能和机理的研究具有重要的理论和实用意义,这些添加剂相当一部分能够吸附到电极表面上通过改变电极…