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金属—空气电池研究进展(2):聚电解质对铝-空气电池铝阳极的缓蚀作用:官能团效应比较

已有 937 次阅读 2023-12-18 21:08 |个人分类:科研进展|系统分类:科研笔记

【摘要】本文研究了三种不同官能团的聚电解质,即聚苯乙烯磺酸钠盐(PSS)、聚丙烯酸(PAA)和聚丙烯胺(PAH),在碱性电解质中对铝阳极的缓蚀性能的影响。其中, PAH表现出最高的缓蚀效率。此外,恒流放电测量表明,在含有PAH的电解质中铝-空气电池表现出最高的比放电容量。计算分析表明,缓蚀性能取决于前沿分子轨道能( frontier molecular orbital energy )和吸附能(adsorption energy)。

    铝空气电池(AABs)作为一种新型清洁能源,可以有效的减少环境污染和安全风险。AABs由于其高能量密度(8.1 kWh·kg−1)和低成本,被认为可以满足未来的能源需求。然而,严重的析氢腐蚀将阻碍AABs的商业化。目前,为解决这一问题,通常采用以下一些技术方法:(1)向Al中添加合金元素;(2)向电解质中添加缓蚀剂。

    与添加合金元素相比,在电解液中添加缓蚀剂以其操作简单、成本低的优点成为一个重要的研究课题。缓蚀剂可以防止腐蚀性物质迁移到表面,从而有效避免腐蚀反应。之前的研究中可以发现,添加剂的缓蚀性能主要取决于分子量、吸附构象、电子结构和给电子位点的给电子能力。因此,缓蚀效率的高低会受到它们所具有的官能团类型和分子大小的影响。

    本工作采用实验和理论相结合的方法,研究了三种缓蚀剂在碱性铝-空气电池电解液中的作用。在实验和理论分析的基础上,确定了效果最佳的缓蚀剂,并揭示了三种缓蚀剂的抑制机理。该研究可为实际应用和其他类似缓蚀剂的开发提供参考。

    所有样品都是99.999%的纯铝,并被机械切割成合适的尺寸。在使用之前对Al表面的钝化层进行抛光。分别准备了含有及不含有缓蚀剂的两种类型电解质进行测试。图1显示了PAA、PSS和PAH的化学结构。

图1 PAA(a)、PSS(b)和PAH(c)的化学结构


图2 Al阳极在含有不同抑制剂的KOH溶液中的析氢测试HER(a),重量损失测量(b),OCP图(c),极化曲线图(d),奈奎斯特图(e)及等效电路图(f)

    图2a–b显示了Al样品在不同电解质中的HER、重量损失结果及其相应的缓蚀效率(IE)。从图2a-b中可以看出空白KOH中的腐蚀速率最快。PAA或PSS对腐蚀的影响不大,而电解质中存在PAH时Al阳极的腐蚀速率有明显的降低。

    图2c-f展示了电化学测试图和相应的等效电路(EC)。添加PAH可以获得最负的OCP值,这意味着将产生更少的氧化物或氢氧化物,从而可以更有效地保护Al基体。在不同溶液中获得的极化曲线能奎斯特如图所示,与在纯KOH中获得的结果相比,在KOH溶液中添加聚电解质后,极化曲线向较低的腐蚀电流密度区移动,电解质中添加PAH时更有利于阳极耐蚀。 

图3在不同电解质中浸泡12小时后,Al表面的SEM图像(a–d),AFM图像(e–h),等高线图(i)及ATR-FTIR(j)