纳米颗粒掺杂修饰的MCFC复合阴极的制备方法探索及其性能研究

【摘要】随着世界经济的快速发展，能源危机和环境污染等问题相继出现，这促使人们不断寻求高效洁净的新能源。燃料电池（FC）作为继火力、水力和核能以后的第四种发电形式，具有高效，低噪音，负载能力强等优势，是一种极具潜力的新能源。目前已有很多国家大力推广、发展和应用燃料电池。其中熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)电站已进入商品化阶段，成为未来大型发电的主力之一。NiO材料因具有优良的电化学性能，而成为MCFC最常用的阴极材料。但其在融盐电解质中的长期稳定性影响了电池性能和寿命，并进而限制了MCFC的大规模商业化发展。因此探究制备具有良好的稳定性、电化学性能且适于实际工业的新型阴极材料，是提高MCFC电池堆稳定性能及其寿命的重要前提和基础。本论文采用机械混合和电泳沉积技术(EPD)相结合的新方法探索制备了MCFC复合阴极材料，并对其各性能进行系统研究。通过溶胶-凝胶法制得Co3O4、LiCoO2和LiFeO2纳米颗粒。将镍粉和Co3O4纳米颗粒以不同比例球磨混合，烧结制成不同掺杂比的多孔复合基体阴极Ⅰ。利用自行研制的高温原位测试系统和各表征技术对基体阴极Ⅰ强度和形变/溶解等性能进行测试分析筛选出较佳的掺杂比。采用电泳沉积技术进一步将摩尔比为1:1的LiCoO2和LiFeO2两种纳米颗粒同时修饰至较佳的复合基体阴极Ⅰ表面制成复合基体阴极Ⅱ。本论文进一步对由复合基体阴极转化的复合工作阴极的热稳定性和电化学性能进行了深入的系统研究。经对比分析，最终确定具有优良的强度、抗形变性能、热稳定性及电化学性能的复合阴极材料及其制备方法。Co3O4的掺杂量、电泳电压、沉积时间以及悬浮液的pH值对复合基体阴极的形貌和性能有较大影响。采用机械混合法将Co3O4纳米颗粒修饰到多孔镍基体制成不同掺杂比的多孔复合基体阴极Ⅰ。分析表明，当掺杂比为2%，4%，6%和8%时掺杂效果较好，纳米颗粒均匀地分布在镍基体表面，且基体阴极材料具有良好的强度和韧性；当掺杂比为10%，13%和16%时，纳米颗粒在基体表面发生不同程度的堆积，导致材料组分不均，复合基体阴极的韧性也随之降低。对复合基体阴极Ⅰ的形变/溶解测试结果表明，与传统多孔镍基体阴极相比，复合基体阴极Ⅰ的形变和溶解均有不同程度的降低，其中掺杂比为2%，4%，6%和8%的复合基体阴极Ⅰ显示出可忽略的形变和很低的溶解度，具有优良的抗溶解、抗形变性能。而掺杂比为10%，13%，16%的复合基体阴极Ⅰ的形变较大，且随着掺杂比的增加，形变愈明显。综合考虑复合基体阴极Ⅰ的形貌、材料强度和韧性、抗形变/溶解性能等筛选出Co3O4纳米颗粒较佳的掺杂比为2～6%。在此基础上，对选出的较佳复合基体阴极I进一步采用电泳沉积技术制备复合基体阴极Ⅱ。结果表明，电泳沉积电压、悬浮液的pH值以及电泳沉积时间对电泳沉积效果有较大影响。当电泳沉积电压为45V左右，悬浮液的pH值为2左右，电泳沉积时间为1min左右时，电泳沉积制备得到的复合阴极Ⅱ效果较为理想，纳米颗粒均匀覆盖在基体表面且保持了基体的支脉状多孔结构。本论文进一步对由两种基体阴极转变的工作阴极的热稳定性和电化学性能进行了深入研究和对比。在模拟MCFC工作条件下，复合工作阴极Ⅰ和复合工作阴极Ⅱ均显示了良好的热稳定性。对比之下，复合工作阴极Ⅱ显示出更佳的抗溶解性能，其中掺杂比为4%的复合阴极材料Ⅱ在100h溶解度几乎为0。另外，与传统NiO阴极相比，复合工作阴极Ⅰ和Ⅱ也都显示出更佳的电化学性能。综上，采用机械混合和电泳沉积技术相结合的方法制备的复合阴极，具有良好的强度和韧性、抗形变性能、热稳定性以及电化学性能。阴极材料便于实际MCFC电池堆的安装和密封，且制备方法适于大规模工业生产，有望应用于MCFC工业生产。
【作者】李婷婷；
【导师】陈丽江；
【作者基本信息】浙江理工大学，应用化学，2014，硕士
【关键词】机械混合法；电泳沉积技术；复合基体阴极；形变/溶解；溶解性能；电化学性能；

【参考文献】
[1]钟茂生.基于智能Agent的个性化Web浏览器研究与实现[D].江西师范大学,2003.
[2]王万军.属性约简在数据挖掘中的应用[J].河北理工学院学报,2005,01:76-78.
[3]王殿辉,柴天佑.基于ANN模型的非线性自校正预测控制器[J].自动化学报,1997,03:110-113.
[4]许兰民.青藏铁路五道梁冻土区工程结构热扰动研究[D].北京交通大学,2011.
[5]李耀华.中东无核武器区问题研究[D].兰州大学,国际政治,2013,硕士.
[6]吴江亮.中国大学校长职业化发展中的困境及对策研究[D].淮北师范大学,高等教育学,2014,硕士.
[7]陈小兵.溶胶凝胶法制备二氧化钛基抗菌薄膜及其性能研究[D].广东工业大学,化学工艺,2004,硕士.
[8]赵圆圆.商业银行内部控制评价体系的构建研究[D].山东农业大学,会计（专业学位）,2013,硕士.
[9]李苗苗.外源钙对不同生态型沙地云杉（Picea mongolica）幼苗抗旱性影响的研究[D].华东师范大学,生态学,2013,硕士.
[10]汪卫东.营销水平的竞争[J].汽车与配件.2005(13)
[11]董振.BTA深孔刀具力学特性仿真分析及实验研究[D].中北大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[12]王霏.叙利亚现代民族国家构建研究[D].西北大学,世界史,2014,博士.
[13]张玉峰.高等教育不公平问题分析及对策研究[D].山西财经大学,教育经济与管理,2013,硕士.
[14]曹玫.纵横双向渗透美国人的BI成长方略[J].电子商务,2004,09:60-61.
[15]徐晖.后冷战时期美国对叙利亚政策浅析[D].外交学院,国际关系,2014,硕士.
[16]王雪雁.公司治理结构的国际比较和借鉴[D].吉林大学,世界经济,2004,硕士.
[17]许宏杰田泽郭亮刘宁宁王泉.ARINC659芯片设计与实现关键技术研究[J].计算机技术与发展,2014,03:.
[18]张春瑜.静水压联合IGF-1干预对山羊颞下颌关节盘细胞F-actin表达影响的实验研究[D].兰州大学,口腔临床医学,2013,硕士.
[19]张娜.污泥热解过程中氮的迁移特性研究[D].沈阳航空航天大学,安全技术及工程,2013,硕士.
[20]周海丽.中国共产党的妇女政策与乡村妇女角色的重构[D].河北大学,中国近现代史,2014,硕士.
[21]郑凯.赤子爱胜蚓对重金属污染土壤的生态毒理诊断及潜在生物标志物筛选[D].南京大学,环境科学,2013,硕士.
[22]曹泉.电动汽车动力蓄电池优化充电策略研究[D].湖北工业大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[23]张晶晶.大众文化视域下的宫斗剧研究[D].华中师范大学,影视文学,2014,硕士.
[24]周国俊.基于SWOT分析的高等教育区域非均衡发展及其对策研究[D].西南大学,高等教育学,2014,硕士.
[25]万莉.四明湖水库浮游生物群落结构及其动态[D].宁波大学,渔业资源,2014,硕士.
[26]李玲.公职人员利益冲突预防制度研究[D].大连理工大学,行政管理,2013,硕士.
[27]李顺安.基于关联的自适应分类规则挖掘方法[J].西安联合大学学报,2004,02:73-76.
[28]隋景明,刘洪和.SLPC可编程调节器在锅炉自动控制中的应用[J].冶金自动化,1996,03:48-49.
[29]吴建国,徐德应.六盘山林区几种土地利用方式对土壤中可溶性有机碳浓度影响的初步研究[J].植物生态学报,2005,06:79-87.
[30]车靖.A Tentative Study on Conversation Style of Different Genders in Audio Computer-mediated Communication[D].西安外国语大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[31]张凯.菲律宾布拉卡大学汉字学习的难点调查及教学策略[D].西北大学,汉语国际教育（专业学位）,2014,硕士.
[32]徐腾.神经肽Y基因多态性与矮小型青脚麻鸡产蛋性状的关系[D].西南大学,动物遗传育种与繁殖,2013,硕士.
[33]张达.日语体谅表达研究[D].黑龙江大学,日语语言文学,2013,硕士.
[34]冷金英,黄豪彩,陈家旺,樊炜,葛晗,林杉,刘明洲,杨景,陈鹰.气力人工上升流对水体温度的影响研究[J].机电工程,2014,04:442-445.
[35]吴磊.陈云的干部队伍建设思想研究[D].贵州师范大学,中国近现代史基本问题研究,2014,硕士.
[36]黄蕾.并联逆变器控制技术的研究[D].南京航空航天大学,电力电子与电力传动,2004,硕士.
[37]张语凌.智利养老保障基金制度改革对我国的启示[D].辽宁大学,社会保障,2012,硕士.
[38]陈英.外啮合齿轮泵的间隙优化及振动和噪声的研究[D].吉林大学,机械电子工程,2004,硕士.
[39]章坚民,张承来,吴光中,张云雷,马国梁,占震滨.省级地方热电厂数据采集与分析系统设计和开发[J].电力系统自动化,2011,06:71-75.
[40]宰亚孟.晶核预控制的多晶硅薄膜晶化技术研究[D].河北工业大学,材料物理与化学,2013,硕士.
[41]杨新武.遗传归纳逻辑程序设计技术研究[D].北京工业大学,2003.
[42]陈佳菲.高度近视黄斑部脉络膜新生血管与视网膜劈裂相关因素的比较研究[D].河北医科大学,眼科学（专业学位）,2014,硕士.
[43]时少坤.环境因子对贝类几种免疫因子影响的研究[D].上海海洋大学,临床兽医学,2013,硕士.
[44]江永.组织公平对员工敬业度的影响研究[D].西南交通大学,企业管理,2013,硕士.
[45]赵行一.我国上市商业银行高管薪酬和绩效关系[D].天津大学,工商管理,2013,硕士.
[46]吴秉哲.贯彻产业政策推动专用汽车发展[J].专用汽车.1989(03)
[47]王娟.文本倾向性分析中的分类方法研究[D].兰州理工大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[48]邵振宇.新课程标准下农村中学生实施终身体育基础教育的研究[D].山东体育学院,体育,2012,硕士.
[49]舒航.大跨度公铁两用悬索桥结构体系及力学特性研究[D].西南交通大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[50]刘勇.独立董事制度对公司治理结构的影响研究[D].北京交通大学,2013.