多孔氧化镍的合成及其电容性能研究(附件)
本文主要以化学沉淀法制备多孔氧化镍，考察氧化镍的孔结构大小对其电容性能的影响。采用比表面测试仪、扫描电镜等仪器以对制备产物进行了表征，考察了前驱物的比例、热碱浸泡条件、煅烧情况等对氧化镍孔结构和性能的影响。采用循环伏安法测试、恒电流充放电测试在电化学工作站电池测试仪器上进行测试材料的电容性能，探索了上述制备参数对所制备氧化镍的影响。结果表明不同的前驱物、前驱物的摩尔比以及热碱浸泡的条件参数等都对所制备产物的表面形貌、组成及性能皆有较大的影响。当以氯化镍浓度为0.05 mol/L，氯化铝浓度0.1 mol/L，无水碳酸钠过量制备所得的前驱物，经过6 mol/L氢氧化钠60 oC浸泡12 h的样品煅烧后具备良好电容性能，并且大孔较多比表面积较大，当电流密度为0.5 A/g时，比电容可达276.5 F/g。关键词 氧化镍，孔结构，超级电容器，化学沉淀法，电容性能
目 录
1 引言 1
1.1 超级电容器的概述 1
1.2 氧化镍的制备方法 3
1.3 选题依据和主要研究内容 4
2 实验部分 5
2.1 主要试剂及仪器设备 5
2.2 实验步骤 6
2.3 “三废”的处理 11
3 结果与分析 11
3.1氧化镍的形貌比较 11
3.2氧化镍的孔结构分析 15
3.3氧化镍的电容性能 18
结论 23
致谢 24
参 考 文 献 25
1 引言
在当今社会，伴随着经济状况的不断改善和社会文明的持续进步，全球范围内的能源问题和环境问题也日渐凸显，那么该怎样去节约资源、合理利用能源以及如何去改善生活环境变成了人类不得不去面对的严峻问题，正因为如此，发展新型的清洁型能源变成了如今我们必须去面对的重要任务。所谓的清洁能源是指那些在新技术上加以开发利用、能够直接用于生产生活不排放污染物的可再生能源。在当今发展迅速的社会，超级电容器的出现顺应了时代的要求，为了弥补高能量密度电源循环使用寿命不足而充电时间相对比较长等缺陷，所以要求超级电容器具有高性能、高功率等普通电容器难以具有的性能。孔结构可以增大比表面积，电容量相 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
对增加，并且电化学性能稳定，多孔氧化镍作为一种更具潜力的电化学材料备受关注。
1.1 超级电容器的概述
1.1.1 电容器的原理
电容器是通过两个被电介质分开的平行电极板组成，不用通过化学形式进行能量的存储而可以在静电场中进行能量储存的新型储能元[1]。在电场中电荷会发生相对运动（由于受到电场力的作用），直至导体与导体之间出现了阻碍电荷的移动的介质，从而使得电荷在导体上进行积累，促使累积储存电荷才可以使得电容器开始工作。电容器的充电方式是通过在两极之间施加的电势差来进行的，正是因为这个电势差的存在才能够使正电荷向负极表面迁移而负电荷向正极表面迁移[2]。
能量密度可以用单位质量的能量来表示，功率密度可以用单位体积的功率来表示[3]。电容器中储存的能量与两电极间的电势差及电容C成有关，并且能量与每个界面所带的电荷Q也有一定联系，用E表示电势差，其表达式为
1.1.2 超级电容器的简介
超级电容器是一种介于传统电容器与化学电源的新型储能元[4]（如图1.1）。与传统电容器相比较，相同点主要是基本原理相同，然而更加显著的是其不同点。其一超级电容器比传统电容器对于快速储存的情况更加适应；其二超级电容器的能量电容与普通电容器相比要高得多；其三超级电容器的额定容量相对较大。
超级电容器能够在高的比功率下工作，利用高度可逆的方法储存电荷的量大大超过大多数的普通电池。超级电容器并不能作为电池的替代物，尽管可以把它当做可充电电池进行能量的存储和转化，但其储能机制却与普通电池大相径庭，它是一个可以与电池互补处在相对适应地位的储能元，具有高能量以及高功率的优势，既可与电池结合又可以作为独立原件单独作用[5]。
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图 1.1 超级电容的结构原理图[4]
1.1.3超级电容器的主要电极材料
超级电容器的电极材料主要有碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物以及复合材料等。氧化物中的多孔氧化镍作为电极材料由于其具备许多其他材料无可比拟的优点而脱颖而出。在众多电极材料中，多孔氧化镍在超级电容器中作为一种较为理想的电极材料，主要具有以下优点：（1）存储电容量大；（2）化学稳定性好；（3）多孔结构，材料比表面积大；（4）电化学性能较高。为提高氧化镍的材料利用率，制备多孔氧化镍应运而生，因为多孔结构可以利用氧化镍材料内部的电化学活性参与其电容过程。
1碳材料
碳材料作为被超级电容器广泛应用的电极材料具有一系列的优点[6]，主要体现在实验过程中获取比较方便，相对其它实验材料而言价格较低，作为电极材料具有较好的导电性，在化学实验过程中也显示出它的化学稳定性。在电化学实验中，碳材料的作用主要体现在可以使其作为活性物质支撑材料以及导电添加剂等，并且在实验过程中可以更好的控制其导电性促使超级电容器获得较高表面积和电容[7]。活性炭的某种独特性质，可以呈现不同的电容值，使得活性炭成为应用最为广泛的碳材。
2过渡金属氧化物
过渡金属氧化物由于其自身性质特殊，在正常情况下具有大大超过碳材料所具有的容量，并且可以在自身的表面发生相对速度较大的氧化还原反应，所以更会激起人们对它的研究热情，并且使用范围也变得更加广泛。
为了促进赝电容器的发展，通过增加比电容值来达到这一目的。在长时间的工作条件下，这类材料和电池的特性基本相似，主要由于氧化还原反应是过渡金属氧化物的储存机制[8]。然而上述金属材料在工业化应用空间上也受到很大程度上的限制，促使人们舍其而转向寻求其他导电性能良好、对环境友好并且容易获得的过度金属材料。
3导电聚合物材料
导电聚合物之所以能够作为电极材料受到广关注主要是其具备如下诸多优点，作为电极材料具备相当大的灵活性并且易于制备、廉价易得而且有相对高的柔韧性，正是因为有如此多的特性，才使得这类具有导电性的有机聚合物备受人们青睐。尽管如此目前并没有完全应用于工业化，主要由于这类材料一般情况下并不能够满足工业生产的要求，并且温度特性相对而言比较差[9]。因为导电聚合物可以通过速度较快的去掺杂或者掺杂这种过程进行相互之间的离子交换，促使电荷的存储量可以达到最大。
4复合材料
复合材料顾名思义是对多种电极材料进行组合，使组合后的材料在性能上比单一材料更为广泛更为全面，使单一材料形成复合材料后能够达到优势上的更进一步，作为电极材料可以发挥更为全面的作用[10]。通过将单一材料复合可以弥补一些材料自身的缺点，也会使电容性能更强。
1.1.4超级电容器的发展前景
目前超级电容器广受欢迎，主要原因是超级电容器的环境友好型符合当今高度重视环境污染的时代，并且由于其充放电的速度比较快等一系列优点促使了其较广的发展空间[11]。这一系列的优势性能也决定了超级电容器将在以后的电化学领域发挥不容忽视的力量。为了稳固超级电容器的地位，新一代要求克服自身能量密度不足的局限，致力于提高电容器本身能量密度以便延长它的循环使用寿命。随着超级电容器的不断改进，在以后我们有机会见识到其应用于更加广泛的领域，减少燃料燃烧带来的污染[12]。
目 录
1 引言 1
1.1 超级电容器的概述 1
1.2 氧化镍的制备方法 3
1.3 选题依据和主要研究内容 4
2 实验部分 5
2.1 主要试剂及仪器设备 5
2.2 实验步骤 6
2.3 “三废”的处理 11
3 结果与分析 11
3.1氧化镍的形貌比较 11
3.2氧化镍的孔结构分析 15
3.3氧化镍的电容性能 18
结论 23
致谢 24
参 考 文 献 25
1 引言
在当今社会，伴随着经济状况的不断改善和社会文明的持续进步，全球范围内的能源问题和环境问题也日渐凸显，那么该怎样去节约资源、合理利用能源以及如何去改善生活环境变成了人类不得不去面对的严峻问题，正因为如此，发展新型的清洁型能源变成了如今我们必须去面对的重要任务。所谓的清洁能源是指那些在新技术上加以开发利用、能够直接用于生产生活不排放污染物的可再生能源。在当今发展迅速的社会，超级电容器的出现顺应了时代的要求，为了弥补高能量密度电源循环使用寿命不足而充电时间相对比较长等缺陷，所以要求超级电容器具有高性能、高功率等普通电容器难以具有的性能。孔结构可以增大比表面积，电容量相 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
对增加，并且电化学性能稳定，多孔氧化镍作为一种更具潜力的电化学材料备受关注。
1.1 超级电容器的概述
1.1.1 电容器的原理
电容器是通过两个被电介质分开的平行电极板组成，不用通过化学形式进行能量的存储而可以在静电场中进行能量储存的新型储能元[1]。在电场中电荷会发生相对运动（由于受到电场力的作用），直至导体与导体之间出现了阻碍电荷的移动的介质，从而使得电荷在导体上进行积累，促使累积储存电荷才可以使得电容器开始工作。电容器的充电方式是通过在两极之间施加的电势差来进行的，正是因为这个电势差的存在才能够使正电荷向负极表面迁移而负电荷向正极表面迁移[2]。
能量密度可以用单位质量的能量来表示，功率密度可以用单位体积的功率来表示[3]。电容器中储存的能量与两电极间的电势差及电容C成有关，并且能量与每个界面所带的电荷Q也有一定联系，用E表示电势差，其表达式为
1.1.2 超级电容器的简介
超级电容器是一种介于传统电容器与化学电源的新型储能元[4]（如图1.1）。与传统电容器相比较，相同点主要是基本原理相同，然而更加显著的是其不同点。其一超级电容器比传统电容器对于快速储存的情况更加适应；其二超级电容器的能量电容与普通电容器相比要高得多；其三超级电容器的额定容量相对较大。
超级电容器能够在高的比功率下工作，利用高度可逆的方法储存电荷的量大大超过大多数的普通电池。超级电容器并不能作为电池的替代物，尽管可以把它当做可充电电池进行能量的存储和转化，但其储能机制却与普通电池大相径庭，它是一个可以与电池互补处在相对适应地位的储能元，具有高能量以及高功率的优势，既可与电池结合又可以作为独立原件单独作用[5]。
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图 1.1 超级电容的结构原理图[4]
1.1.3超级电容器的主要电极材料
超级电容器的电极材料主要有碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物以及复合材料等。氧化物中的多孔氧化镍作为电极材料由于其具备许多其他材料无可比拟的优点而脱颖而出。在众多电极材料中，多孔氧化镍在超级电容器中作为一种较为理想的电极材料，主要具有以下优点：（1）存储电容量大；（2）化学稳定性好；（3）多孔结构，材料比表面积大；（4）电化学性能较高。为提高氧化镍的材料利用率，制备多孔氧化镍应运而生，因为多孔结构可以利用氧化镍材料内部的电化学活性参与其电容过程。
1碳材料
碳材料作为被超级电容器广泛应用的电极材料具有一系列的优点[6]，主要体现在实验过程中获取比较方便，相对其它实验材料而言价格较低，作为电极材料具有较好的导电性，在化学实验过程中也显示出它的化学稳定性。在电化学实验中，碳材料的作用主要体现在可以使其作为活性物质支撑材料以及导电添加剂等，并且在实验过程中可以更好的控制其导电性促使超级电容器获得较高表面积和电容[7]。活性炭的某种独特性质，可以呈现不同的电容值，使得活性炭成为应用最为广泛的碳材。
2过渡金属氧化物
过渡金属氧化物由于其自身性质特殊，在正常情况下具有大大超过碳材料所具有的容量，并且可以在自身的表面发生相对速度较大的氧化还原反应，所以更会激起人们对它的研究热情，并且使用范围也变得更加广泛。
为了促进赝电容器的发展，通过增加比电容值来达到这一目的。在长时间的工作条件下，这类材料和电池的特性基本相似，主要由于氧化还原反应是过渡金属氧化物的储存机制[8]。然而上述金属材料在工业化应用空间上也受到很大程度上的限制，促使人们舍其而转向寻求其他导电性能良好、对环境友好并且容易获得的过度金属材料。
3导电聚合物材料
导电聚合物之所以能够作为电极材料受到广关注主要是其具备如下诸多优点，作为电极材料具备相当大的灵活性并且易于制备、廉价易得而且有相对高的柔韧性，正是因为有如此多的特性，才使得这类具有导电性的有机聚合物备受人们青睐。尽管如此目前并没有完全应用于工业化，主要由于这类材料一般情况下并不能够满足工业生产的要求，并且温度特性相对而言比较差[9]。因为导电聚合物可以通过速度较快的去掺杂或者掺杂这种过程进行相互之间的离子交换，促使电荷的存储量可以达到最大。
4复合材料
复合材料顾名思义是对多种电极材料进行组合，使组合后的材料在性能上比单一材料更为广泛更为全面，使单一材料形成复合材料后能够达到优势上的更进一步，作为电极材料可以发挥更为全面的作用[10]。通过将单一材料复合可以弥补一些材料自身的缺点，也会使电容性能更强。
1.1.4超级电容器的发展前景
目前超级电容器广受欢迎，主要原因是超级电容器的环境友好型符合当今高度重视环境污染的时代，并且由于其充放电的速度比较快等一系列优点促使了其较广的发展空间[11]。这一系列的优势性能也决定了超级电容器将在以后的电化学领域发挥不容忽视的力量。为了稳固超级电容器的地位，新一代要求克服自身能量密度不足的局限，致力于提高电容器本身能量密度以便延长它的循环使用寿命。随着超级电容器的不断改进，在以后我们有机会见识到其应用于更加广泛的领域，减少燃料燃烧带来的污染[12]。
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