碱性铝-空气电池缓蚀剂的复配增效规律及协同作用机制研究

Al-air batteries have advantages of lower cost, high energy density and environmental friendliness. However, the main problem is the low columbic efficiency caused by its hydrogen evolution side-reaction. Developing the high-efficiency corrosion inhibitors is the core issue in the research of Al-air batteries alkaline electrolyte. 8-hydroxy quinolone (8-HQ) is important for the detection of Al3+ ions and has good corrosion prevention for Al alloy. This project intends to use 8-hydroxy quinolone as model molecule. The combination of 8-hydroxy quinolone and metal oxide (ZnO or CaO) is investigated to act as corrosion inhibitor for Al-air battery in 5M NaOH solution. The interaction between the inhibitive units will be studied by the variation of fluorescence excitation and attenuation. The scanning electron microscopy (SEM) and the microscopic Fourier transform infrared spectroscopy (Micro-FTIR) are used to examine the surface morphology and microstructure of Al alloy. The spectral analysis as well as electrochemical measurement will be adopted to elucidate the mechanism of the synergistic effect. It will help to seek the new principle for the selection of electrolyte additives of Al-air battery. The project can provide the theoretical support for the development of Al-air battery and provide novel idea for the detection of Al-air battery.

铝-空气电池的铝阳极在碱性电解液中易发生析氢自腐蚀，导致其放电效率较低，这是制约其产业化发展的关键问题。铝-空气电池电解质缓蚀剂的复配增效研究，具有重要的学术与实际意义。8-羟基喹啉（8-HQ）是环境中铝含量光谱测定的标准化合物，对铝合金有良好的缓蚀作用。本项目拟以8-羟基喹啉（8-HQ）为模型化合物，并与金属氧化物（ZnO、CaO）进行复配增效。将光谱分析技术引入碱性铝-空气电池电解质复合缓蚀剂的研究，将缓蚀组分之间的相互作用信息转换为物理光信号表达，考察分子8-羟基喹啉-金属离子（Al3+、Zn2+、Ca2+）复合物的分子荧光发射（波长、强度等）的变化特征，结合电化学测量和表面分析测量，考察复配增效的规律性，研究缓蚀各组分之间的相互作用，探讨协同机理，从而指导铝-空气电池电解液的研究，并为铝-空气电池的检测技术开发提供理论基础。

铝-空气电池是一种高能量密度的燃料电池，其理论电压高，原材料储量丰富，并且放电过程中不产生有害物质，代表了一种极具潜力的绿色电源发展方向。当前，铝-空气电池多采用强碱性电解液，铝阳极在碱性电解液中易发生析氢自腐蚀，导致其放电效率较低，这是制约其产业化发展的关键问题。使用电解液缓蚀剂是抑制铝合金阳极析氢自腐蚀的一种主要方法。本项目开展铝-空气电池电解液缓蚀剂的复配增效研究，具有重要的学术与实际意义。.本项目采用电化学技术考察了碱性铝空电池电解液复配体系的铝合金阳极的电化学行为特征，通过光谱分析方法考察了复配体系各组分之间的相互作用规律。本项目考察了喹啉衍生物（8-羟基喹啉、8-氨基喹啉、喹啉-8-磺酸、8-羟基喹啉-5磺酸等）与金属氧化物（ZnO、CaO）复配增效的机理。电解液中金属氧化物不改变喹啉衍生物化合物与铝离子的配位方式，但能促进喹啉化合物在铝合金阳极表面的吸附；喹啉化合物可以稳定铝合金表面的金属、金属氧化物和金属氢氧化物的沉积，从而抑制铝合金的析氢反应或阻滞氢气的渗透扩散，两者复配具有较好的协同作用并提高了阳极利用率。本项目考察了8-羟基喹啉-5磺酸(H2QS)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的复配作用、含喹啉环的表面活性剂和氧化钙（CaO）的复配作用、含有巯基的化合物和氧化钙（CaO）的复配作用。研究了两性表面活性剂十二烷基二甲基甜菜碱分别与葡萄糖酸钙、十二烷基苯磺酸钠的复配效果。结果表明：表面活性剂的存在可以形成分层纳米结构，有效促进了喹啉化合物在铝合金表面的吸附和成膜。含有巯基的有机物在电池充放电过程中，可以发生还原反应，形成基于二硫键（S-S键）的环状结构，这种环状结构复合膜的形成有效地抑制了铝电极在碱性溶液中的自腐蚀，并具有智能可控的特征。本项目研究可为设计新型铝-空气电池的复合电解液提供理论指导，对开发碱性铝-空气电池的智能检测技术也具有参考价值。