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作者：

邵泽超

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摘要：

电化学氧泵(EOP)是一种基于空气电极的电化学制氧装置,可以在电位差的驱动下将O_2从低浓度混合气中分离出来。但目前基于质子交换膜电解池的EOP动力学缓慢且催化剂价格昂贵,而基于碱性电解液体系的EOP存在漏液、溶液碳酸化所导致的的电解质结晶析出以及电解液浪费等诸多问题。本文从基于生物质的双功能氧电极催化剂、高强度水凝胶电解质膜和不同催化剂体系的电化学氧泵性能等方面对电化学氧泵进行了研究。以鸡蛋黄为前驱体,经一步热解法在熔融盐介质中制备了杂原子掺杂碳(HDC)材料电催化剂,其中原位掺杂的N含量最高可达5.89 wt.%,并掺杂有少量的P和S,XPS测试结果表明N原子多以Graphitic-N和Pyridinic-N形式掺杂到碳骨架中。使用循环伏安法、线性扫描伏安法以及计时电流法等测试方法在旋转圆盘电极上对HDC催化剂电催化性能进行了表征,结果表明800℃下热解制备的HDC催化剂的氧还原反应催化活性与商品Pt/C催化剂相当,而析氧反应催化活性和稳定性则优于Pt/C催化剂。向蛋黄前体中加入六水合氯化钴可使制得的HDC由疏松的不规则片层状结构变为含有大量不规则泡孔的海绵状结构,并在孔内沉积Co_2P纳米颗粒。这种独特的催化剂结构有效地提高了其ORR催化活性和OER稳定性。以丙烯酰胺和聚乙烯醇为交联前体,采用预混式两步交联法制备了一种具有较高抗拉强度的聚丙烯酰胺/聚乙烯醇(PAM/PVA)双网络水凝胶。采用该方法可使两级网络前体在交联成型前预混均匀,提高水凝胶的结构均一性。以该方法制得的水凝胶具有极疏松的互通式孔洞结构,弹性模量可达50 kPa以上,拉伸断裂应力可达113.4 kPa。对该水凝胶进行碱掺杂,制得了电导率高达10~(-2) S·cm~(-1)数量级的碱掺杂水凝胶电解质膜,电化学稳定窗口可达2.0 V左右,有望作为固体电解质膜应用于燃料电池和电化学氧泵等电化学装置中。分别以贵金属催化剂(20 wt.%Pt/C为阴极催化剂,铱黑为阳极催化剂)、自制的HDC催化剂和自制的Co_2P-HDC催化剂为电极催化剂,进行了电化学制氧的研究,所用电解质为自制的碱掺杂PAM/PVA双网络水凝胶电解质膜。其中以Co_2P-HDC作为电极催化剂的电解起始电压为0.587 V,在1.0 V电解电压下运行1 h后电流保持率为62%,在50 mA·cm~(-2)的低电流密度下运行时的电压升高速率仅为2.66 mV·h~(-1),表现出比贵金属催化剂氧泵更优的性能。

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关键词：

电化学氧泵；鸡蛋黄；杂原子掺杂碳；双功能电催化剂；双网络水凝胶电解质

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1016.117188