摘要 燃料电池满足了21 世纪对能源的装置小型化、分布式电力系统、高效率、环保等新要求，日益为汽车、航天等领域所重视。而其核心部件“质子交换膜” ，目前存在燃料渗透的问题。本文将使用多孔氧化铝作为单层石墨烯的支撑来制作质子交换膜，利用单层石墨烯的只容质子穿透性来实现质子交换膜高选择性和大通量的需求。通过对制得器件电导率和活化能的测算来分析多孔氧化铝支撑的单层石墨烯作为质子交换膜的潜力，并与Graphene/Nafion 组合进行比较。结果显示，多孔氧化铝能大幅降低质子穿过单层石墨烯的活化能，低至0.11eV。但是可能由于使用的Nafion 为已成形膜，所得面积电导率很小41314
毕业论文关键词 单层石墨烯 多孔氧化铝 质子交换膜 燃料电池
Title Proton transport through the Graphene-AAO membrane
Abstract Fuel cells meet the need of device miniaturization, distributed power system, high efficiency and enviromental protection about energy in the 21st century, increasingly, catching more attentio around the automotive, aerospace and other fileds. However, the key part – proton exchange membrane (PEM), has the fuel penetration problem so far. Here we will apply the porous anodic alumina films (AAO) as the substrate of mono-layer graphene, to assemble PEM. With the mono-layer graphene only permeable to proton, we could achieve the requirements of high selectivity and large flux about PEM. By measurements and calculations of the conductivity and activated energy of obtained devices, we analysis the potential of Graphene/AAO as PEM and compare the results with the Graphene/Nafion units. The results show that, AAO can significantly decrease the activated energy of proton transport through the mono-layer graphene to 0.11eV. Even so, we get a very small areal conductivity about , which may attribute to the use of formed Nafion films.
Keywords monolayer graphene AAO PEM fuel cells
目次
1引言1
2质子交换膜制备4
21石墨烯转移至云母4
211转移4
212表征7
22石墨烯转移至多孔氧化铝9
221转移9
222表征10
23氢化钯制备12
24电极组装13
3电化学性能测试14
31电解池设计14
32电导率15
33活化能16
4对比与分析17
结论18
致谢19
参考文献20
1 引言 1842 年，William Robert Grove 通过结合氢气和氧气产出了电能，发明了燃料电池。然而在那个时代，它的发展一直滞后于蒸汽机和内燃机，这一现象可归因于三个方面：经济效益、材料局限、电化学装置的不足。进入 20 世纪，能源需求快速增加，环境污染日益严重，人类对能量转化装置小型化、分布式、环保性等需求也越来越高，而对蒸汽机和内燃机潜力的挖掘已经抵达天花板。随着技术的长足进步，科学家的目光再一次转向了燃料电池[1]。 燃料电池是一种在等温条件下，不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧气中的化学能转化为电能的发电装置，具有高效、无污染、无噪声、可靠性高、模块化、对负载变化快速响应等显著优点。燃料电池类型多种多样，可从燃料、薄膜类型、温度范围等方面进行分类。只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可以连续不断地稳定发电。从智能手机、分布式电网到航空航天、国防，燃料电池都有很大潜力，应用前景非常广阔[2-4]。 各种类型的燃料电池中，PEMFC（质子交换膜燃料电池）操作温度低、功率密度高、对负载变化响应快，在便携式、小型化动力能源尤其是汽车领域，有着独特优势，在近年备受关注[5]。 然而其核心部件 PEM（质子交换膜） ，对于已商用的产品来说，昂贵的催化剂、复杂的保水系统和普遍存在的燃料渗透，这些因素严重掣肘了其更大规模应用[6-8]。 燃料渗透不仅会影响 PEMFC的稳定性，还会降低 PEMFC 的能量密度。质子是伴随水分子传递的，为了获得更高的质子传导率，需要保持足够的湿度，而这会使得燃料渗透增加。燃料渗透分为三个阶段，燃料的薄膜吸收，薄膜内扩散和薄膜的去吸附。想要同时获得高电导率和低燃料渗透并不容易。升高温度可使电导率增大，也会增加燃料渗透。燃料的浓度和分布会影响燃料渗透。增加薄膜厚度可以减少燃料渗透，但会增大质子传递阻力[9]。 石墨烯作为第一种二文原子晶体，具有极佳的力学性能、高电导率、气体抗渗性和极大的比表面积等优异性能，在电池、电子、光电等领域的开发应用越来越多[10-14]。高电导率有利于电荷的传递，极大的比表面积有利于水的保存，石墨烯的只容质子穿透性可以避免燃料渗透的问题，这些优点使其成为天然的 PEM[15, 16]。 X.H. Yan, T.S. Zhao 等人将单层石墨烯夹在两片 Nafion薄膜之间，利用单层石墨烯的只容质子穿透性，制作了三明治结构的 PEM。相比于 Nafion 薄膜，甲醇渗透减少了 68%。这样的结构也使得燃料电池可承受的甲醇浓度显著提升，达到 [17]。 石墨烯/多孔氧化铝的质子传导性能研究:http://www.youerw.com/huaxue/lunwen_41326.html