读书报告氧化还原反应

2017/6/10
钠离子电池
研究发现，锂离子电池有强大的应用领域，更多是缘于石 墨属于高度有序的碳材料，它有低而平稳的充放电电位平 台，具有充放电容量大且效率高、循环性能好的优点。 但石墨却并不适用于钠离子，因为钠离子只有在无序的硬 碳材料中才能“大展身手”。并且，在众多的负极材料中， 目前硬碳材料的电化学性能最好。 不过，从成本角度出发，硬碳远远高于石墨。
(CO /CO)=2.559V
2
(O /H O)=1.229V
2 2
2017/6/10
某些可行方案：
一、集中光电电池： 集中大范围的阳光到半导体仪表板上，将38%的太阳能转化 为高压电，并分流至两个电化电池的电极中，其中一个电池 分解水分子，而另一个负责分解二氧化碳。同时，大部分剩 余的太阳能以热分子所需要 的电力。最后，利希特说道，吸收的太阳能中最高有50%可 以转化为化学键能。 障碍：成本等。
钠离子电池
其实，胡勇胜的团队不仅对钠离子电池的负极材料进行开拓性研究， 在2015年，他们在钠离子电池的正极材料研究中也有新发现。 目前，锂离子电池的正极材料往往含有镍和钴，如果钠离子电池正极 材料也同样使用镍和钴，成本的下降空间有限。 胡勇胜发现，在层状材料中加入铜，可以提高材料的导电性，另外含 铜系列的化合物不怕水，在空气中相对稳定，“这对电池应用来说非 常重要，因为材料吸水会遇到一系列的问题，会增加材料成本”。胡 勇胜说，最终铜铁锰成为钠离子电池正极材料的理想选择。
钠离子电池的缺点
1. 储能容量受限。 2. 循环次数较少。 3. 电极工艺、成本较高。
钠离子电池
经过几番试验，胡勇胜发现，通过裂解无烟煤可以得到一种软碳材料， 可以将其作为钠离子电池负极材料。 “我们先将无烟煤粉碎，然后加热到一定的温度，就可以获得无序的 软碳材料。再者，因为无烟煤的产碳率高达90%，其裂解过程本身也 很少有污染物产生，最重要的是使用无烟煤作为原料，能够大大降低 钠离子电池负极材料的成本。”胡勇胜对《中国科学报》记者表示。 其实，胡勇胜的团队不仅对钠离子电池的负极材料进行开拓性研究， 在2015年，他们在钠离子电池的正极材料研究中也有新发现。
钠离子电池的优点
1. 钠在地球的储量相对丰富，成本较低。 2. 其次，这种电池的材料及生产工艺相当环保，不会对环境造 成污染。 3. 它的使用比较安全。 4. 钠离子电池可以将电完全放空，不用担心锂离子电池的过放 现象。 5. 钠离子电池的生产可以沿用现有锂离子电池生产工序和装备， 无需另起炉灶。
某些可行方案：
二、纳米微晶材料催化剂： 2012年，斯坦福大学的科学家马修• 卡纳安(Matthew Kanan)及其同事发现使用一层薄薄的分解为纳 米微晶体的金来制造电极，可削减超过50%的电力需求，并增强催化剂的活性达10倍。金的微晶体 之间的界线似乎促进该反应的进行。 2014年，特拉华大学化学家焦峰(Feng Jiao)带领下的科学团队发现银纳米颗粒可以发挥近乎一致的 催化作用。 2015年，他们发现了更便宜的由锌枝晶制造的催化剂，在大量分解二氧化碳方面卓有成效。 2016年，加州大学伯克利分校的科学家上个月报道了他们利用一种中央是钴和铜原子的环状有机化 合物来研发出高度多孔的晶体材料。当放置于电极上方并沉入电解液中，该多孔材料就会以每小时 24万个的速度分解二氧化碳，比所有室温催化剂的活性都高。其实2014年卡纳安的团队就报道了铜 纳米晶体制造的电极可绕开合成气，直接合成多种如乙醇和乙酸盐等复合液态燃料，效率空前之高。
钠离子电池的发展前景
近日，国家能源局发布去年风电并网运行情况，截至去年12月，全年新增风电 装机1930万千瓦，累计并网装机容量达到1.49亿千瓦，占全部发电装机容量的 9%，风电发电量2410亿千瓦时，占全部发电量的4%。 不过，去年弃风电量也高达497亿千瓦时。全因目前缺乏合适的大规模储能技术。 储能电池需求量巨大，因此就要求其成本不能过高，而其安全性与稳定性也是考 量因素。而锂资源稀缺的现状，更使其难以成为大规模的储能电池的“中意者”。 钠离子电池的发展却让储能电池成为可能。在胡勇胜看来，“当循环次数达到 5000次时，钠离子电池就可以考虑向储能电池行业发展”。
钠离子电池
钠离子电池实际上是一种容差电池，正负极由两种不同的钠 离子嵌入化合物组成。 充电时，Na+从阳极脱嵌经过电解质嵌入阴极，阴极处于富钠 态，阳极处于贫钠态，同时电子的补偿电荷经外电路供给到阴极， 保证正负极电荷平衡。 阳极：C+xNa++xe充电反应式： 阴极：NaMnO2 NaxC Na1-xMnO2+xNa++xe-
障碍：成本，效率等。
已投入运营的案例
冰岛的碳循环国际公司在2012年设立了一个工厂，利用可再生能 源来制造合成气。该公司利用冰岛丰富的地热能来发电，驱动电解 设备来分解二氧化碳和水，由此产生的合成气接着用来生产甲醇。
位于冰岛 的地热能的原理
在电解池的阳极中，水分子分解为电子、质子和氧气， 而氧气会变成气泡扩散到空气中，电子和质子则聚集到阴极。 当阴极的二氧化碳分子分解为一氧化碳和氧原子时，氧原子 就会和电子与质子结合到一起，产生更多的水分子。
相关反应方程式
阴极：CO2 + 2eO2- + 2H+ 阳极：2H2O - 4eCO + O22H2O 4H+ + O2
新·钠离子电池的突破
胡勇胜的团队经过测试发现：若以铜铁锰基氧化物为正极，无烟煤 基软碳为负极，钠离子电池的能量密度达到100 Wh/kg。虽然看起 来尚不如锂离子电池，但已是铅酸电池的两倍多。 同时，实验室Ah级电池的充放电循环数已达500次以上，优于铅酸 电池，能量转换效率高达90%，低温性能良好，并通过了一系列针 刺、挤压、短路、过充、过放等适于锂离子电池的安全试验。而且 其材料成本却比锂离子电池低40%左右。
巨大障碍
问题是二氧化碳是非常稳定难反应的化学分子，化学家曾利用电力、 高温或两者同时来迫使其发生反应。
斯图尔特•利希特(Stuart Licht)发明了一台终极回收机，在位于华盛 顿的乔治华盛顿大学的实验室里。 但是这些方案并不会对石油工业造成威胁。在利希特的设备中，反 应堆的部分零件需要在接近1000°C的高温环境中才能运作，这个 温度太高了，需要专门的材料来支持这些部件的运作。其他科学家 在寻求另一种替代方法，开发催化剂，在接近室温的情况下能发生 相同的化学反应，使用太阳能电力或其他可再生能源来推动该化学 结合反应过程。
“也就是说如果建立了铅酸电池的回收制度，钠离子电池规模化生 产后，其成本将接近铅酸电池。”胡勇胜认为，更重要的是，以铜 铁锰为正极的钠离子电池在生产过程以及回收过程中都不会产生对 环境不友好的产物。
钠离子电池的发展前景
目前，我国绝大多数电动自行车、电动三轮车甚至老年代步车的电池使用的 均为铅酸电池。虽然铅酸电池在价格上似乎还有一点优势，但因为国内一直 没有建立起完善的回收制度，其带来的环境污染隐患同样无法忽视。今年1月 3日国务院正式出台《生产者责任延伸制度推行方案》，率先确定对电器电子、 汽车、铅酸蓄电池和包装物等4类产品实施生产者责任延伸制度： 以谁生产谁负责、谁污染谁负责的原则建立回收体系，铅酸电池生产企业只 图利而对污染不负责任的时代即将结束。回收制度建立后，铅酸电池的成本 势必会增加。 但地球上可开采的锂资源的储量有限，锂的应用领域却非常广阔，除了众所 周知的电池行业，陶瓷、玻璃、润滑剂、制冷液、核工业以及光电等行业都 对锂有需求。胡勇胜认为，钠离子电池的出现有望在一定程度上缓解因锂资 源短缺引发的发展受限问题，是锂离子电池有益的补充。
障碍：电力需求，工艺成本等。
某些可行方案：
三、直接利用太阳能低温电解二氧化碳和水 如以二氧化钛为基础的纳米管来大量产出一氧化碳、甲烷或其他碳 氢化合物。目前为止这些方案都成效甚微，尤其是只能将低于1％的 太阳能转化为化学键。博卡尔斯里等科学家则利用太阳光线中十分 细微的紫外线，这样成效更高。但上个月在波斯顿举办的美国化学 学会会议上，特拉华大学的化学家乔尔•罗森塔尔(Joel Rosenthal)则 报告其团队研制了一种铋系光催化剂，可将6.1％的可见光能量转换 为一氧化碳中的化学键能。
2017/6/10
钠离子电池负极材料要求
负极材料： 1.钠嵌入的过程中电极电位变化较小，并接近钠的电位，从而 保证电池的输出电压高。 2.钠的主体材料中的可逆嵌入量和充放电效率尽可能高，以保 证电池具有较高的能量密度 3.在钠的脱嵌过程中，主体结构的体积变化尽可能小，获得较 好的循环稳定性。 4.应具有较高的电子导电率和钠离子迁移速率，确保电池可以 进行大电流充放电。 5.与电解液的相容性好，具有较高的化学稳定性和热稳定性。
氧 化 还
读书报告
反 应
目录
1
钠离子电池
CONTENTS
2
温室效应
钠离子电池
钠离子电池研究最早开始于上世纪八十年代前后，他 们试图找出比锂离子更加廉价、高效的电池技术。由于钠 离子相对锂离子更大，需要更大的能量来驱动离子的运动， 这方面一度是新电池技术最头疼的问题，寻找合适的钠离 子电极材料是钠离子储能电池实现实际应用的关键之一。 不过，近日中国科学院物理所研究员胡勇胜带领团队给钠离子电池 的市场带来了一针“强心剂”。他的团队成功利用无烟煤制作出钠 离子电池负极，为其进一步市场化应用提供了可能。
2017/6/10
钠离子电池
放电时则相反，Na+从负极脱落，经过电解质嵌入正极，正极 处于富钠态。 负极：NaxC - xeC + xNa+ 放电反应式： 正极：Na1-x MnO2 + xNa+ + xe-
NaMnO2
2017/6/10
钠离子电池正极材料要求
正极材料： 1.较高的氧化还原电位，且电位受材料嵌钠量的影响小。 2.具有较高的比容量。 3.有足够的离子扩散通道，确保钠离子快速嵌入和脱出。 4.有较高的电化学反应活性。 5.良好的结构稳定性和电化学稳定性。
温室效应
随着科技的进步，温室效 应是一个亟待解决的问题。 科学家正在研究如何利用空 气中多余的二氧化碳，一旦 成功，这将会是一个新进步。
为什么不将空气中那么多的CO2转化为燃料？
未来或许我们可以把大气中大量的二氧化碳转化为燃料，从而摆脱当下对 化石燃料的依赖。一些科学家已经在为此努力。问题是二氧化碳是非常稳定难 反应的化学分子，化学家曾利用电力、高温或两者同时来迫使其发生反应。这 是一种可直接使用或转化为其他有价值的化学物质和燃料的液态酒精。大量的 化工厂正在生产合成气，但是利用的不是空气而是大量便宜的天然气。所以化 学家的挑战在于利用可再生能源生产合成气，而这比目前所有能源的成本都低。
为什么不将空气中那么多的CO2转化为燃料？
模拟光合作用储存太阳能的技术早在 上世纪70年代初就进入了科学家的视 线。将空气中的CO2转化为能源与此 光合作用有一定相似性。
这项任务本质上归结为燃烧逆向反应， 将太阳能或其他可再生能源的能量注 入化学键。如同植物要合成生长所需 要的糖分，但是植物只需要转化1%能 量为化学能。为了供应工业社会发展 所需要的电源，科学家需要做得更好， 这个挑战好比将人送上月球。