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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划燃料电池的电极材料微生物燃料电池电极材料的研究进展一、目录概述工作原理优点阳极材料阴极材料展望概述：微生物燃料电池是利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。微生物燃料电池又简称MFC。工作原理：附着在阳极端的微生物催化氧化阳极室中的有机物产生电子和质子，电子由外电路传递至阴极，质子则经交换膜到达阴极室，电子质子和电子接受体(如溶解氧)在阴极反应生成水，
2、电子不断地定向迁移，产生外电流。微生物燃料电池的优点:(1)燃料来源广泛,尤其可利用有机废水等废弃物;(2)反应条件温和,常温常压下即可运行;(3)环境友好,无酸、碱、重金属等污染物产生;(4)因能量转化过程无燃烧步骤,故理论转化效率较高。MFC输出功率密度的主要影响因素有反应器构型、接种物来源、底物种类、质子交换膜及电极材料等电极材料作为微生物催化反应界面，其生物相容性比表面积导电性及化学稳定性等直接影响微生物在阳极材料上的吸附生长微生物传递电子能力电极阻抗及阴极氧还原反应的速率，而且，作为反应器的重要组成部件，电极材料的选择也决定了污水处理的成本因此，电极材料的设计制备和选择对优化提升的性
3、能至关重。阳极材料：阳极材料应具备低电阻抗腐性好的生物相容性高化学稳定性大比表面积以及适当的机械强度和韧性阳极材料分类1、传统碳材料2、碳纳米管及其复合物3、石墨烯传统碳材料：碳纸碳布石墨棒石墨纤维刷及活性碳等碳材料阳极已广泛应用这些材料价格低廉导电性优异且耐蚀性能佳，微生物在其表面容易附着与生长其中，碳纸较硬脆，易于连接导线;碳布孔隙多，较碳纸柔软两者作为平板电极的典型代表，可通过降低阴阳电极间的距离，提高MFC的性能碳纳米管及其复合物：碳纳米管有特定孔隙结构高机械强度大比表面积好的热稳定性和化学惰性以及高导电性，碳纳米管可增大电极表面积，其一维纳米尺度可促进细菌细胞膜纳米纤维的电子传递，增
4、强微生物向电极传输电子的能力，作为MFC催化剂载体有较好的应用前景碳纳米管可有效降低MFC的阳极内阻石墨烯：石墨经化学氧化剥离还原处理等可形成石墨烯，合成过程不使用毒性金属催化剂，这为石墨烯用于提供了可能。首次证实石墨烯氧化物的网状结构可促进生物电化学系统中的微生物胞外电子向电极转移，将其应用于MFC中，电流密度和功率密度较碳纸电极增加4倍，使用石墨烯修饰不锈钢电极，MFC的最大功率密度可达，这归因于电极面积增大及微生物数量增多阴极材料：电子受体在电极的还原速率也是决定MFC输出功率的重要因素，采用化学阴极法或生物阴极法，增强催化活性，加快还原反应速率是MFC阴极材料的首选方法。目前，MFC阴
5、极材料大多采用性能优异的碳载铂催化剂，但成本较高因此，寻求高活性的廉价催化剂仍是MFC阴极的研究重点几种常见的阴极材料：贵金属铂基催化剂，非贵金属氧化物催化剂，过渡金属大环类催化剂PbO2燃料电池电极反应书写“三步走”有关电化学知识是近几年高考题的必考考点，重现率高.特别是为了贯彻“绿色环保”理念，有关新型燃料电池的电极反应及应用考查越来越频繁.因此掌握燃料电池的工作原理和电极反应式的书写是十分重要的.一、工作原理燃料电池是一种不经过燃烧，将燃料化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置.和其他电池中的氧化还原反应一样，都是自发的化学反应，不会发出火焰，其化学能可以直接转化为电能.燃料电池由正极
6、、负极和电解质构成，两电极材料一般都不参加反应，电极本身仅起催化和集流、传导电子的作用，反应的是通到电极上活性物质，只要燃料和氧化剂不断地输入，反应产物不断地排出，燃料电池就可以连续放电，供应电能.二、电极组成燃料电池的两极材料都是用多孔碳、多孔镍、铂、钯等兼有催化剂特性的惰性金属，两电极的材料相同.因此，燃料电池的电极是由通入气体的成分来决定.通入可燃物的一极为负极，可燃物在该电极上发生氧化反应;通入空气或氧气的一极为正极，氧气在该电极上发生还原反应.三、电解质不同类型的燃料电池可有不同种类的电解质，其电解质通常有水剂体系电解质、熔融盐电解质、固体电解质等.在不同的电解质中，燃料电池的电极反
7、应式就有不同的表示方法.因此，在书写燃料电池电极反应式时要特别注意电解质的种类.传统的燃料电池电极反应的书写一般分三步：第一步：书写总反应;第二步：书写正极反应;第三步：总反应减去正极反应得负极反应.但是这种书写方法存在很大弊端，譬如要求写负极反应需要把总反应和正极反应全写对;既费时又不准确.这里介绍如何根据“守恒法”快速而又准确的书写负极反应.书写步骤分三步：第一步：“得失电子守恒”第二步：“电荷守恒”第三步：“原子守恒”.例1一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳.该电池负极发生的反应是.锂电池正极材料综述1、引言锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料
8、的结构和性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。因此廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。在目前的商业化生产的锂离子电池中，正极材料的成本大约占整个电池成本的40左右，正极材料价格的降低直接决定着锂离子电池价格的降低。对锂离子动力电池尤其如此。衡量锂离子电池正极材料的好坏，大致可以从以下几个方面进行评估：正极材料应有较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压；锂
9、离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌，以使电池有高的容量；在锂离子嵌入/脱嵌过程中，正极材料的结构应尽可能不发生变化或小发生变化，以保证电池良好的循环性能；正极的氧化还原电位在锂离子的嵌入/脱嵌过程中变化应尽可能小，使电池的电压不会发生显著变化，以保证电池平稳地充电和放电；正极材料应有较高的电导率，能使电池大电流地充电和放电；正极不与电解质等发生化学反应；锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电；价格便宜，对环境无污染。目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、钴镍锰酸锂以及磷酸铁锂。2、正极材料介绍LiCoO2钴酸锂：研究始于1980年，20世纪
10、90年代开始进入市场。它属于-NaFeO2型层状岩盐结构，结构比较稳定，是一种非常成熟的正极材料产品，目前占据锂电池正极材料市场的主导地位。其理论容量为274mAh/g，实际容量为140mAh/g左右，也有报道实际容量已达155mAh/g。该正极材料的主要优点为：工作电压较高、充放电电压平稳，适合大电流充放电，比能量高、循环性能好，电导率高，生产工艺简单、容易制备等。主要缺点为：价格昂贵，抗过充电性较差，循环性能有待进一步提高。而且钴有放射性，不利于环保，因此发展受到限制。LiNiO2用于锂离子电池正极材料的LiNiO2具有与LiCoO2类似的层状结构。其理论能量密度达276mAh/g，但制作
11、难度大，且安全性和稳定性不佳。技术上采用掺杂Co、Mn、Al、F等元素来提高其性能。由于提高镍酸锂技术研究需考察诸多参数，工作量大，目前的进展缓慢。工作电压范围为。该正极材料的主要优点为：自放电率低，无污染，与多种电解质有着良好的相容性，与LiCoO2相比价格便宜等。但LiNiO2具有致命的缺点：LiNiO2的制备条件非常苛刻，这给LiNiO2的商业化生产带来相当大的困难；LiNiO2的热稳定性差，在同(转载于:写论文网:燃料电池的电极材料)等条件下与LiCoO2和LiMn2O4正极材料相比，LiNiO2的热分解温度最低，且放热量最多，这对电池带来很大的安全隐患；LiNiO2在充放电过程中容易
12、发生结构变化，使电池的循环性能变差。这些缺点使得LiNiO2作为锂离子电池的正极材料还有一段相当的路要走。用于锂离子电池正极材料的LiMn2O4具有尖晶石结构。其理论容量为148mAh/g，实际容量为90120mAh/g。工作电压范围为34V。该正极材料的主要优点为：锰资源丰富、价格便宜，安全性高，比较容易制备。缺点是理论容量不高；材料在电解质中会缓慢溶解，即与电解质的相容性不太好；在深度充放电的过程中，材料容易发生晶格崎变，造成电池容量迅速衰减，特别是在较高温度下使用时更是如此。为了克服以上缺点，近年新发展起来了一种层状结构的三价锰氧化物LiMnO2。该正极材料的理论容量为286mAh/g，
13、实际容量为已达200mAh/g左右。工作电压范围为3。虽然与尖晶石结构的LiMn2O4相比，LiMnO2在理论容量和实际容量两个方面都有较大幅度的提高，但仍然存在充放电过程中结构不稳定性问题。在充放电过程中晶体结构在层状结构与尖晶石结构之间反复变化，从而引起电极体积的反复膨胀和收缩，导致电池循环性能变坏。而且LiMnO2也存在较高工作温度下的溶解问题。解决这些问题的办法是对LiMnO2进行掺杂和表面修饰。目前已经取得可喜进展。该材料具有橄榄石晶体结构，是近年来研究的热门锂离子电池正极材料之一。其理论容量为170mAh/g，在没有掺杂改性时其实际容量已高达110mAh/g。通过对LiFePO4进
14、行表面修饰，其实际容量可高达165mAh/g，已经非常接近理论容量。工作电压范围为左右。与以上介绍的正极材料相比，LiFePO4具有高稳定性、更安全可靠、更环保并且价格低廉。此外，它在大电流放电率放电、放电电压平稳性、安全性、寿命长等方面都比其它几类材料好，是最被看好的电流输出动力电池。目前A123公司已能将磷酸铁锂正极材料制造成均匀的纳米级超小颗粒，使颗粒和总表面积剧增，进一步体高了磷酸铁锂电池的放电功率和稳定性。基于以上原因，LiFePO4在大型锂离子电池方面有非常好的应用前景。但要在整个锂离子电池领域显示出强大的市场竞争力，LiFePO4却面临以下不利因素：来自LiMn2O4、LiMnO
15、2、LiNiMO2正极材料的低成本竞争；在不同的应用领域人们可能会优先选择更适合的特定电池材料；LiFePO4的电池容量不高；在高技术领域人们更关注的可能不是成本而是性能，如应用于手机与笔记本电脑；LiFePO4急需提高其在1C速度下深度放电时的导电能力，以此提高其比容量。在安全性方面，LiCoO2代表着目前工业界的安全标准，而且LiNiO2的安全性也已经有了大幅度的提高，只有LiFePO4表现出更高的安全性能，尤其是在电动汽车等方面的应用，才能保证其在安全方面的充分竞争优势。钴镍锰酸锂即现在常说的三元材料，它融合了钴酸锂和锰酸锂的优点，在小型低功率电池和大功率动力电池上都有应用。但该种电池的材料之一钴是一种贵金属，价格波动大，对钴酸锂的价格影响较大。钴处于价格高位时，三元材料价格较钴酸锂低，具有较强的市场竞争力；但钴处于价格低位时，三元材料相较于钴酸锂的优势就大大减小。随着性能更加优异的磷酸铁锂的技术开发，三元材料大多被认为是磷酸铁锂未大规模生产前的过渡材料。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。
