碳电氧化新型低温催化熔盐电解质的研究

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直接碳燃料电池(DCFC)是一种以固体碳(如煤)直接做燃料的特殊类型的燃料电池,可以实现清洁高效地将固体碳中的化学能转化为电能。DCFC的理论效率为100%,实际电效率也能达到80%以上;排放的废气少,且为纯度很高的CO2,容易实现CO2的分离回收利用;碳燃料来源广泛而且丰富廉价,包括煤、石油、天然气、甚至是生物质燃料和有机垃圾等。因此,DCFC是一种非常有前途的新型发电技术。以CsVO3和MoO3形成低温共熔体作为催化剂,加入到32%Li2CO3-68%K2CO3熔融碳酸盐电解质中,采用线性电位扫描法和恒电位放电法研究了CsVO3-MoO3对石墨碳阳极的电化学氧化性能影响。发现CsVO3-MoO3对碳阳极的开路电位和氧化电流密度均有很大的提高。在750℃下,碳阳极的开路电位为-0.94V,负向提高了0.36V;当极化电势为-0.4V时,碳阳极的电流密度为105.2mA·cm-2,提高了73.7mA·cm-2。分析以金片为工作电极的三电极体系的循环伏安曲线,发现加入CsVO3-MoO3后出现氧化还原峰,证明在电解质中存在电化学氧化还原反应。分析气体产物组成CsVO3-MoO3降低CO的浓度,证明提高了碳阳极的库仑效率,最高库仑效率达到98.8%。根据上述数据,探讨了CsVO3-MoO3提高碳阳极电化学氧性能的作用机理。构筑和制备具有催化作用的低温熔盐电解质体系(CsVO3-MoO3-Li2CO3-Na2CO3-K2CO3),研究催化熔盐的组成和温度对电导率和碳电化学氧化性能的影响。在550℃,CsVO3-MoO3和Li2CO3-Na2CO3-K2CO3的质量比为1:5时电解质的电导率为1.155S·cm-1,提高了0.43S·cm-1。碳阳极的电化学氧化性能随着反应温度的升高而提升,同时CsVO3-MoO3的催化性能随着其含量的增大而提升。在CsVO3-MoO3和Li2CO3-Na2CO3-K2CO3的质量比为1:5的时候,催化熔盐在低温时的催化作用十分显著。550℃时,开路电位达到-0.85V,相比于不加催化剂的情况下负移了0.3V;在-0.4V和-0.2V的极化电势下电流密度分别达到18.8mA·cm-2和53mA·cm-2,都提高了6倍左右。650℃时,开路电位达到-0.98V,相比于不加催化剂的情况下负移了0.39V;在-0.4V和-0.2V的极化电势下电流密度分别达到71.5mA·cm-2和117.4mA·cm-2,分别提高了11倍和3倍左右。
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