功能導向的電化學體系建立與碳基復合電極的設計和制備.pdf

1、不同電化學體系（電解、電池/電容器、電化學傳感器）的發(fā)展，都離不開電極材料與電極結構的進步，依據不同電化學體系的特點和功能需求，對相應的電極材料和結構進行導向設計與研究具有重要的意義。本論文基于導電碳黑和納米尺寸活性物質（電催化劑）構建碳基復合多孔電極，在包括電解KI和O2合成KIO3、電解Na2CO3-H2O為NaOH和NaHCO3、高速充放電電極材料以及葡萄糖無酶傳感器等多個應用領域展開電解方式和電極材料方面的創(chuàng)新研究，以實現節(jié)能、

2、高效為目標。具體研究內容如下:
　　 (1)綠色、節(jié)能和低成本的電解合成碘酸鉀技術:已有的電解合成碘酸鉀工藝槽電壓超過2.0 V，且必須使用昂貴的離子膜。本文在對KI電化學氧化及KIO3電化學還原的電極過程、機理研究基礎上，提出通過電解KI和O2合成KIO3的原子經濟型節(jié)能新工藝。研究表明，在以納米Ag為催化劑的氣體擴散多孔氧陰極上，主要發(fā)生的是O2的還原，而產物IO3-的還原所占比例不足1％。在單液流無膜電解槽中，在電流密度為

3、150 mA·cm-2時，槽電壓僅為0.7～0.8 V，電流效率達到96％，電耗僅為傳統電解方法的35～40％。
　　 (2)面向堿溶碳分法的氧還原電解碳酸鈉技術:堿溶碳分法是針對我國鋁土礦提出的一種先進高效的氧化鋁工藝，膜電解碳酸鈉是打通整個工藝的關鍵環(huán)節(jié)，但是已有膜電解碳酸鈉工藝的電解能耗偏高。本文提出陽極析氧-陰極氧還原的電解碳酸鈉體系，以工作電位較高的氧陰極替代原有析氫陰極，從而縮小與陽極析氧電位差距，達到降低離子膜電解

4、碳酸鈉槽電壓目的。首先通過旋轉圓盤電極技術進行了Ag-Co3O4/C、Co3O4/C、Ag/C催化劑的氧還原反應動力學研究;對相應的氣體擴散多孔氧陰極進行了電極性能表征與測試，結果表明Ag/C電極最佳;以Ag/C為陰極，RuO2/Ti為陽極進行碳酸鈉的電解實驗，結果表明在電流密度為100 mA·cm-2時，槽電壓為1.52±0.09 V，相對于傳統電解方式（槽電壓為2.53±0.11V）節(jié)電達到40％。
　　 (3)面向堿溶碳分

5、法的氫陽極電解碳酸鈉技術:在前述研究基礎上提出更高效節(jié)電的氫陽極電解碳酸鈉技術。論文對Pt/C、Pd/C氫氣氧化催化劑及相應的三相氣體擴散多孔電極進行了結構表征和性能測試，結果表明Pt-Pd/C氫陽極在碳酸鈉電解體系中表現最優(yōu)性能。小規(guī)模電解槽實驗結果表明在100 mA·cm-2的電流密度下槽電壓為0.86 V，相對于常規(guī)-析氫析氧電解和氧陰極電解（分別為2.53 V和1.52 V）有顯著降低。氫陽極電解方式即使在200 mA·cm-2

6、的電流密度下槽壓也僅為1.32 V，表明所建立的氫陽極電解方式在提高時空產率和降低槽電壓方面具有顯著的優(yōu)勢。
　　 (4)高速充放電性能的Ni(OH)2/C納米復合多孔電極:采用新工藝制備了Nano-Ni(OH)2/C多孔復合電極:將浸漬有硝酸鎳的高比表面積超導電炭黑(BP1000)壓制成型后熱處理得到載有前驅體的復合碳片，再通過堿液處理使Ni(OH)2原位沉淀而得。TEM、SEM、XRD表征結果表明，活性物質Ni(OH)2沒有

7、阻隔開導電碳網絡，而是均勻負載在導電網絡碳基底上。上述結構保證了該電極的高速充放電性能，循環(huán)伏安法和計時電位法測試結果表明在電極活性物質負載密度約6 mg·cm-2、電流密度為40 mA·cm-2的充-放電測試中，其充、放電時間分別為272 s和261 s，單位面積電量分別達到10.9和10.4C·cm-2;放電流密度達到1000 mA·cm-2(放電倍率高達498 C，質量放電電流密度163 A·g-1)時，容量保持率達到40 mA·

8、cm-2時的81.5％。
　　 (5)基于Ni(OH)2(←→)NiOOH快速電化學轉化的寬線性范圍無酶葡萄糖傳感器:通過原位沉積和電化學處理將Ni(OH)2原位負載于納米導電碳基底上制成Ni(OH)2 NPs/納米復合電極，該電極可用作無酶葡萄糖傳感器。研究表明提高介質中OH-濃度有助于提高Ni(OH)2(←→)NiOOH轉化速率以及對葡萄糖濃度的線性響應范圍。采用逐個周期改變葡萄糖濃度的循環(huán)伏安法快速研究了該電極在不同電位區(qū)