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钼基催化剂的设计制备及其电催化析氢与镁海水电池应用研究

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钼基催化剂的设计制备及其电催化析氢与镁海水电池应用研究

作者：杨腾青岛科技大学

学位级别：硕士

电催化分解水制氢能够将电能转化为化学能并储存在清洁能源载体氢气中,是解决当今全球日益严重的环境污染问题和能源危机的有效途径。当前,铂基材料是电催化分解水制氢的最佳选择,然而其资源稀缺和昂贵的价格严重制约了其大规模工业应... 详细信息

电催化分解水制氢能够将电能转化为化学能并储存在清洁能源载体氢气中,是解决当今全球日益严重的环境污染问题和能源危机的有效途径。当前,铂基材料是电催化分解水制氢的最佳选择,然而其资源稀缺和昂贵的价格严重制约了其大规模工业应用。因此,开发高效、廉价的电催化剂以替代昂贵的铂基材料是当前电催化制氢领域的研究重点和热点。近年来,钼基材料作为一类非贵金属化合物具有储量丰富、晶相结构多样和物理化学性质优异等特点,在电催化制氢领域受到广泛关注和研究。然而,与贵金属铂基材料相比,钼基材料的电催化制氢活性还远未达到商业化应用需求。因此,如何提升钼基材料的电催化析氢活性是当前催化剂设计制备过程中面临的挑战。对此,本文围绕高效钼基催化剂的设计制备与电催化析氢性能开展研究,主要研究内容和结论如下:首次以Anderson型杂多酸(NH)[NiMoO(OH)]·7HO(NiMo)为前驱体设计合成了镍掺杂三氧化钼纳米片(Ni-MoO),并进一步利用相变工程获得了镍掺杂二氧化钼纳米片(Ni-MoO),继而研究了相变对镍掺杂氧化钼电催化析氢活性的影响。结果显示,初始Ni-MoO纳米片在酸、碱和海水电解质中获得10m A cm电流密度时的过电位分别高达326、493和818 m V,而相变工程得到的Ni-MoO纳米片在酸、碱和海水电解质中获得10 m A cm电流密度时的过电位分别降低至200、234和412 m V,表明相变工程能够极大提升镍掺杂氧化钼的本征电催化析氢活性。同时,当以Ni-MoO纳米片作为析氢阴极应用于镁/海水电池时,所组装的电池能够获得的最高功率密度为6.54 m W cm,表明其作为高效海水析氢阴极在镁/海水电池方面具有潜在价值。通过水热合成工艺将稀土元素Er引入s MoO,进而成功构筑了一种具有优异全电解水活性的双功能催化剂(Er-MoO)。得益于Er元素对MoO电子结构的有效调控,Er-MoO作为析氢(HER)和析氧(OER)催化剂在碱性环境中获得10 m A cm电流密度时的过电位分别仅为94 m V和245 m V;而在碱性海水(3.5%Na Cl+1 mol KOH)中获得10 m A cm电流密度时的析氢(HER)和析氧(OER)过电位分别仅为173 m V和312 m V,且具备连续电解24 h的长期稳定性。作为双功能催化剂用于电催化全解水时,Er-MoO在碱性和碱性海水环境中仅分别需要1.90和2.03 V的电压即可获得100 m A cm的电流密度,性能优于大多数非贵金属基催化剂。另外,以Er-MoO作为析氢阴极制备的镁/海水电池显示出优异的放电性能,峰值功率密度达到8.17 m W cm,接近基于商业Pt/C析氢阴极的镁/海水电池;同时,基于该镁/海水电池组装的电池组能够成功点亮LED面板,显示了其潜在实际应用价值。

关键词：电催化氧化钼析氢反应析氧反应全解水镁海水电池

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适用于镁海水电池的能量变换系统设计

适用于镁海水电池的能量变换系统设计

作者：逯成龙东北电力大学

学位级别：硕士

近年来,我国大力推进海洋水文、气象观测和海上通信相关技术的研究步伐,以提高我国海洋监测信息化程度。作为一种海洋探测、通讯设备的搭载平台,由于远离大陆电网,海洋浮标需要具备为台上设备提供独立供电的能力。因此,如何实现对海洋... 详细信息

近年来,我国大力推进海洋水文、气象观测和海上通信相关技术的研究步伐,以提高我国海洋监测信息化程度。作为一种海洋探测、通讯设备的搭载平台,由于远离大陆电网,海洋浮标需要具备为台上设备提供独立供电的能力。因此,如何实现对海洋浮标搭载设备的持续供电已经成为业内关注的焦点。镁海水电池作为一种新型电池,具有价格低廉、绿色环保、高比能量、可深海工作等优点,适合装设于海洋浮标,为搭载的监测和通讯设备提供电力。但实际研究发现,镁海水电池单体存在电压低,动态响应速度慢以及输出特性软等缺点。为了弥补镁海水电池的缺陷,本文设计了一种科学的能量变换系统,以提高镁海水电池的实用性。首先,介绍了镁海水电池分类、结构、工作原理和特点,对外部因素对电池性能的影响进行归纳,分析了电极材质对于镁海水电池放电性能影响,同时,对所测得的镁海水电池放电及功率特性曲线进行了分析,得出了镁海水电池具有单体电压低、功率特性软等问题。然后针对镁海水电池特性,构建了一种改进非隔离型三端口变换器(Three port convert,TPC),详细分析了不同工作模式下TPC的工作原理和稳态性能,发现改进后TPC电压增益能够提高2倍,电压应力明显减小。根据后期实验需要,从理论上对于变换器参数进行了设计,并通过对变换器仿真,验证了前文对TPC的工作原理与稳态性能的理论分析。最后,考虑镁海水电池工作特点和载荷突变规律,基于拓扑,提出了一种系统能量优化控制策略,能够实现源、荷间功率动态平衡;同时,根据镁海水电池低功率放电特性,提出了一种基于改进灰狼算法最大功率点追踪方法(Maximum power point tracking,MPPT),进一步提高了镁海水电池的能量转换效率。在此基础上,为了减小系统超调量和提高载荷供电稳定性,采用BP神经网络法(Back Propagation Neural Network)对传统PID控制器参数进行在线优化,进一步提高了系统的控制效果。并且利用MATLAB/Simulink对TPC的原理及控制策略进行了仿真。搭建了一台原理样机,通过电阻切换模拟海洋浮标载荷间歇工作情况,证明了该系统的稳定性和合理性。

关键词：镁海水电池能量管理三端口变换器最大功率点追踪

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镁海水电池用镁合金阳极材料的研究

镁海水电池用镁合金阳极材料的研究

作者：林亚青天津大学

学位级别：硕士

随着深海探测技术的不断发展,海水电池开始受到国内外研究人员的重视。海水电池具有完全开放结构,电池性能不仅受电极材料影响,还与溶解氧浓度、海水流速等环境参数以及正负极距离等电池参数有关。目前,镁阳极存在的问题是放电时存在自... 详细信息

随着深海探测技术的不断发展,海水电池开始受到国内外研究人员的重视。海水电池具有完全开放结构,电池性能不仅受电极材料影响,还与溶解氧浓度、海水流速等环境参数以及正负极距离等电池参数有关。目前,镁阳极存在的问题是放电时存在自腐蚀析氢反应和“负差数效应”,导致利用效率低。本文通过析氢实验、浸泡实验、交流阻抗、动电位极化、恒电流放电等多种方法研究了AZ31、AZ61、AZ91三种镁合金在3.5wt%NaC l溶液中的自腐蚀、电化学行为以及环境因素的影响,考察了它们作为镁电池负极材料的性能。通过扫描电镜观察了镁合金负极材料腐蚀的表面形貌,探讨了镁合金阳极材料的腐蚀类型及腐蚀机理。考察了不同Hg含量以及热挤压对镁合金阳极材料自腐蚀及电化学性能的影响。研究表明,AZ61、AZ91、AZ31三种镁合金的耐蚀性能依次逐渐增加。镁合金在3.5wt%NaCl溶液中的腐蚀类型为点蚀,腐蚀首先从局部区域开始,通过点蚀孔的扩展而发展成全面腐蚀。环境因素因素的研究结果表明,随着海水温度的升高、海水浓度的增大、海水流速的增大,AZ31镁合金的自腐蚀速率增大。随着海水温度的升高、海水浓度的增大、正负极间距的减小,由AZ31镁合金组成海水电池的工作电压升高。经过热挤压后,AZ31镁合金的自腐蚀速率变大,放电电压略微负移。Hg含量对镁合金阳极材料自腐蚀及电化学性能的研究结果表明,随着Hg含量的增加,镁合金耐腐蚀性先增强后减弱,镁合金阳极的工作电压变负。最优的镁合金的成分为:AZ31-1.0%Hg。

关键词：镁海水电池镁合金阳极材料腐蚀电化学行为 Hg

基于机器学习的鱼雷推进控制用镁海水电池性能预测

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火力与指挥控制 2020年第9期45卷 52-57,62页

作者：刘笑达侯建鹏阴明王志伟侯利锋卫英慧太原理工大学太原030024 北方自动控制技术研究所太原030006 太原科技大学太原030024

针对鱼雷用镁海水电池阳极放电性能低以及传统“试错法”在材料设计中导致开发周期过长的问题。通过数据分析和机器学习的方法,采用线性回归(Linear Regression,LR),支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)和神经网络(Multilayer ... 详细信息

针对鱼雷用镁海水电池阳极放电性能低以及传统“试错法”在材料设计中导致开发周期过长的问题。通过数据分析和机器学习的方法,采用线性回归(Linear Regression,LR),支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)和神经网络(Multilayer Perceptron,MPL)算法对数据集进行训练建立模型,使用预测模型对镁基阳极材料的放电性能进行预测,根据预测结果制备了Mg-5.7Al-0.9Ge合金作为镁海水电池用阳极材料。最后,通过电化学实验对Mg-5.7Al-0.9Ge合金在3.5 wt%NaCl溶液中的放电性能进行验证研究,研究发现该合金分别在20 mA·cm^-2、50 mA·cm-2电流密度下,放电电位分别为-1.641 V和-1.429 V,放电效率分别为69.5%和60.4%,其放电性能优于商用镁合金阳极材料AZ61。结果表明,SVR算法建立的模型预测能力最佳,具有较高的相关系数和较低的误差,为镁基阳极材料的成分设计和快速开发问题提供指导。

关键词：镁海水电池机器学习支持向量回归镁基阳极材料放电性能

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镁电池的研究进展

绿色矿冶 2023年第2期39卷 44-48页

作者：耿健媛郭军华张廷安东北大学冶金学院辽宁沈阳110819

本文对比了镁电池与锂电池、锌锰电池的性能,综述了镁锰干电池、镁二次电池、镁海水电池和镁空气电池的结构、优缺点、目前应用以及存在的问题,并指出镁的氧化性、镁离子的负差效应、镁的抗蠕变性能低以及易发生自腐蚀反应会影响到镁电... 详细信息

本文对比了镁电池与锂电池、锌锰电池的性能,综述了镁锰干电池、镁二次电池、镁海水电池和镁空气电池的结构、优缺点、目前应用以及存在的问题,并指出镁的氧化性、镁离子的负差效应、镁的抗蠕变性能低以及易发生自腐蚀反应会影响到镁电池的性能,解决这些问题是今后各种镁电池的主要研究方向和内容。

关键词：镁电池镁锰干电池镁二次电池镁海水电池镁空气电池电化学

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海水电池用高性能镁合金阳极材料的研究

海水电池用高性能镁合金阳极材料的研究

作者：贾东天津大学

学位级别：硕士

随着社会的快速发展,人类对于各类能源的需求越来越大。大量不可再生的化石能源的开发,使得陆地资源逐渐匮乏,寻找一种新型的绿色清洁可再生能源显得尤为重要。人们逐渐将目光投向海洋,镁海水电池满足深海探测设备的电力供应需求,且安... 详细信息

随着社会的快速发展,人类对于各类能源的需求越来越大。大量不可再生的化石能源的开发,使得陆地资源逐渐匮乏,寻找一种新型的绿色清洁可再生能源显得尤为重要。人们逐渐将目光投向海洋,镁海水电池满足深海探测设备的电力供应需求,且安全环保,研究人员充分利用海洋自身条件开发镁海水电池。然而镁尽管具备诸多优势,其用作阳极材料时也存在放电活性低与自腐蚀严重等问题。本文利用基于第一性原理的量子力学计算方法,对合金元素与纯镁构成的体系进行了量子化学研究。筛选出合适的合金化元素并对部分实验现象做出解释。结合二元合金相图,利用Materials Studio量子化学计算软件建立了部分金属间化合物及固溶体合金的晶体模型。计算了相应镁合金体系的结合能与相间电位差。结果表明,MgCu,Mg Co和MgNi三种金属间化合物的结合能数值为负,但其绝对值偏小,说明三者不能足够稳定存在于镁合金中。并且与对应的固溶体合金间的相间电位差过大,理论上由此引发微电偶腐蚀效应的驱动力增大,不利于提高镁合金的耐蚀性能,因此排除了Cu,Co,Ni三种元素。镁与部分稀土元素如Yb及常见的Al,Zn,Sn,Bi等元素形成的合金体系具有更负的结合能,说明能够影响合金性能的相应第二相可以在镁合金中稳定存在,该影响主要取决于第二相在合金中的体积分数及分布情况。计算结果还表明,Yb,Al,Zn,Sn,Bi五种元素与Mg形成的金属间化合物与相应固溶体合金间的相间电位差较小,因此不易引发合金中可能存在的微电偶腐蚀,有利于提高镁合金的耐蚀能力。基于以上理论计算结果,选择Yb,Al,Zn,Sn,Bi五种元素用于合金化,炼制了一系列合金用于电化学测试及自腐蚀测试。恒电流放电结果表明,不同的合金化元素对金属镁放电活性的影响不同,并且该影响主要受合金化元素含量的影响。Al元素的加入量一般较大,在含量为8.0%时,二元Mg-Al系合金的平均放电电位取得最负值。Sn和Bi元素的加入量不宜过高,放电电位随二者含量的增加明显正移,最佳含量均为0.2%。Zn和Yb元素最佳含量均为1.0%。极化曲线测试结果与恒流放电的结果一致。在各元素最佳含量基础上,制备了一系列四元镁合金,并与纯镁比较,最佳的四元合金为Mg-8.0%Al-0.2%Sn-1.0%Yb,其放电电位相比纯镁负移了56m V,阳极利用率提高近45%,兼具高的放电活性与阳极利用率,是较优的海水电池阳极材料。

关键词：镁海水电池第一性原理镁合金阳极放电活性阳极利用率