掺杂中空碳纳米球在锌空气电池阴极及酶生物燃料电池阳极中的应用研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：密级：公开UDC：学号：152445掺杂中空碳纳米球在锌空气电池阴极及酶生物燃料电池阳极中的应用研究研究生姓名：马晓兰导师姓名：刘松琴教授李颖副教授陈成良工程师申请学位类别工程硕士学位授予单位东南大学一级学科名称化学工程论文答辩日期2018年04月23日二级学科名称学位授予日期年月日答辩委员会主席卫伟评阅人壮亚峰张袁健2018年04月26日硕士学位论文掺杂中空碳纳米球在锌空气电池阴极及酶生物燃料电池阳极中的应用研究专业名称：化学工程研究生姓名：马晓兰导师姓名：刘松琴教授李颖副教授陈成良工程师APPLICATIONOFDOPEDHOLLOWCARBO

2、NNANOPARTICLESINCATHODEOFZINCAIRBATTERYANDANODEOFENZYMEBIOFUELCELLAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYMAXiaolanSupervisedbyLIUSongqinLIYingCHENChengliangSchoolofChemistryandChemicalEngineeringSoutheastUniversityApril2018东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我

3、个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文

4、的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要随着传统能源的短缺及环境的污染，我们的社会已经从化石燃料经济转向清洁能源经济，都在积极研究关于可持续能源的收集、转换和储存。锌空气电池和生物燃料电池相比于传统意义上的电池，具有原材料来源广、成本低、能量转化高及绿色环保等特点。本文主要是以高活性的硼氮双掺杂中空碳纳米球（BNCSs）作为锌空气电池中阴极（气体扩散电极）催化剂，制备气体扩散电极并对

5、其进行优化，继而组装成锌空气电池进行电化学测试；以高活性的硼氮双掺杂中空碳纳米球（BNCSs）作为酶生物燃料电池阳极酶载体，制备生物阳极并对其进行优化，继而组装成酶生物燃料电池进行电化学测试。主要工作内容如下：1.以碳纸作为集流体，气体扩散层由乙炔黑与聚四氟乙烯乳液（PTFE）组成，催化层由活性炭为基底的BNCSs与PTFE乳液所组成。对集流体进行疏水浓度与时间的优化，对气体扩散层中乙炔黑与PTFE乳液的比例及乙炔黑的负载量进行优化，对催化层中使用的BNCSs、活性炭与PTFE乳液的比例及BNCSs的负载量进行优化。结果显示，当集流体在10wt.%的PTFE乳液中疏水处理5m

6、in，气体扩散层中乙炔黑/60wt.%PTFE乳液的质量比为6:4（乙炔黑的碳载量为0.8mg/cm2），催化层中活性炭/BNCSs/20wt.%PTFE乳液的质量比为2:2:3（BNCSs的碳载量为1.0mg/cm2）时，气体扩散电极的电化学性能最优。2.设计制作了一种由聚甲基丙烯酸甲酯材料为主体的矩形锌空气二次电池器件，它具有密封性能好、方便拆卸和替换电解液与锌阳极、方便清洗，并且易于观察内部反应情况的优点。比较了硼掺杂中空碳纳米球（BHCSs）、氮掺杂中空碳纳米球（NHCSs）、硼氮双掺杂中空碳纳米球（BNCSs）及商业Pt/C组装的锌空气电池性能的大小。并使用BNCS

7、s这种双功能电催化剂，在空气中制造锌空气一次电池和二次电池的气体扩散电极进行电池性能测试。以BNCSs为基础的一次锌空气电池展现了1.421V的开路电位，比容量为670mAh/g22Zn（5mA/cm的电流密度下）和最大功率密度为96mW/cm。二次锌空气电池可在10mA/cm2的电流密度下循环350次，依旧保持优异的稳定性能。结果表明，廉价的BNCSs非常适用于此锌空气电池能量转换装置。3.利用制备的BNCSs为载体，通过简单的物理吸附作用来固定葡萄糖氧化酶(GOD)，以此制备酶生物燃料电池阳极GOD