中空氢氧化镍的制备及其电容性能
目 录
1. 引言 1
1.1. 超级电容器 1
1.2. 中空材料简介及制备方法 3
1.3. 氢氧化镍电极材料简介 4
1.4. 本课题的研究内容 8
2. 实验部分 9
2.1. 仪器设备及其药品 9
2.2. 实验步骤 10
3. 结果与分析 11
3.1. XRD表征 11
3.2. 形貌表征 12
3.3. 电化学测试 17
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
1. 引言
1.1. 超级电容器
1.1.1. 超级电容器简介及其应用
传统化石能源所带来的诸多问题困扰着当今的社会。石油、煤炭等资源是目前社会的主要能源，然而它们的大量燃烧向空气中排放了大量的CO2，造成温室效应，此外其中含有的N、S等元素以NOx和SOx的形式向大气中排放，造成环境污染，严重时还会形成强腐蚀的酸雨。此外，我国是一个汽车大国，大量的汽车向空中不断排放大量污染物，加剧了温室效用而且也导致空气质量严重变差，出现雾霾，对人们的呼吸系统造成影响，今年许多城市出现了这种情况。因此人们迫切需要开发新型的绿色能源来改善当前的能源问题，发展电动汽车就是其一，而电动汽车的电源倾向于使用超级电容器作为混合动力源，因为和传统充电电源相比，超级电容器具有如下优点[1]：
（1）高电容量。与其它电容器相比具有更高电容量，比同体积 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
电容器的电容量大几千倍。
（2）功率密度高。和电池相比，能够提供几百到几千的短时大电流，并且功率密度是普通电池的10～100倍。
（3）充放电效率高，使用寿命长。超级电容器在充放电过程对电极结构影响小，充放电循环次数可达十万次以上。
（4）放置时间长，长时间静置后再次充电对其电容几乎没有影响。
（5）正常使用温度范围宽，能够胜任低至– 40°C和高达70°C的环境。
（6）免维护，对环境无害。
据称俄罗斯ESMA公司和ELIT公司分别独自研究并且生产的氧化镍超级电容器作为公共汽车的动力源投入使用[2]，并且运营良好。
当然超级电容器这些优点也能在其它领域发挥作用，比如可以作为电脑、计时器的后备电源；可以与太阳能、风能等配套使用；在航空航天以及国防工业中作为大功率的高脉冲电流发生器[1,3]。由于超级电容器具有巨大优势，许多国家正在研究超级电容器并将其应用于军事、电动汽车以及通信等多种领域，目前超级电容器已经有产品上市，由此可见超级电容器拥有着巨大的市场空间和发展潜力。
1.2.2. 超级电容器原理
超级电容器是一种处在静电电容器和化学电源之间的电化学电容器[4]，由电极、集电极、电解质、隔离膜等几个部分组成[5]。根据储能原理的不同，超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器（或者称为法拉第赝电容器）[6]。双电层电容器的基本原理是由于电极和电解液接触，使得溶液中阴阳离子由于受到库仑引力以及分子引力的作用，使其向电极迁移，固液两相界面形成稳定、带不同电性的电荷，从而形成双电层，产生了电位差，这是双电层电容器充电原理[5]。当电容器外接导线时，情况正好相反，电容器中的离子重新被释放到溶液中，而电荷则通过外接导线发生迁移，形成电流，从而为用电器供电。制作这种电极的主要材料是具有较高比表面积的各种碳材料，比如活性炭以及碳纳米管等。传统活性炭是一种来源丰富、价格便宜、可塑性好、电化学稳定的碳材料，但是也存在着诸如较小的电容值、较大的内阻以及较差的频率响应特性等缺点[7]。近些年来，又发现了碳纳米管，其具有良好的导电性、巨大的比表面积和特殊的三维网孔结构，因而这种碳纳米管双电层超级电容器具有良好的性能，但是也存在双电层电容器普遍的缺点——比电容较小[8]。
法拉第准电容器的主要原理是基于氧化还原反应，在其电极表面或着内部的二维以及准二维空间中具有电活性的物质欠电位沉积，发生了具有高度可逆的化学吸脱附反应或者氧化还原反应，从而产生了和电极充电放电相关的电容。充电时电解液中的阴阳离子在电流的作用下移动到电极的表面，阴离子移动到阳极发生氧化反应，阳离子移动到阴极发生还原反应，从而使得电荷储存到电极中[5]。放电时恰好相反，电极中结合的离子又重新回到电解液中，而电荷就通过外接导线形成电流供用电器使用。从法拉第准电容器的基本原理可以看出，电极氧化还原反应在电极表面以及电极内部均可以发生，而双电层电容器只能在其表面发生，因而法拉第准电容器的电容量比相同比表面的双电层电容更高，因此法拉第准电容器如今更受关注。法拉第准电容的电极材料一般是高比面积的金属氧化物，目前氧化物电极中最具代表性的是贵金属氧化物RhO2，其在低温、酸性的电解质中测得的比电容超过1,000 F/g，但是RhO2也有诸多缺点，不但价格昂贵，而且具有毒性[9]，从而严重限制了 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
它的应用发展，因此寻找廉价、安全稳定的高比电容电极材料成为替代RhO2的一个热门方向。目前研究比较热门的是过渡金属的氧化物和氢氧化物，比如二氧化锰、一氧化镍、四氧化三钴、氢氧化镍、氢氧化钴等[10]。近些年来又出现了导电聚合物作为超级电容器的电极材料，比如聚苯胺薄膜、多孔聚吡咯烷等[11]。
1.3. 中空材料简介及制备方法
物质的结构会对物质的性质会产生十分重要的影响，例如物质达到纳米级时，由于纳米的超微结构产生了特殊的纳米效应，包括小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，从而导致其光、电、磁等多方面的物理性质以及化学性质都会发生显著变化。此外为物质构建特殊的结构能够也能提高其某一方面的性能，例如光导纤维，由于能够传递光信号而广泛应用于通信。因此制备纳米结构或者构建特殊结构是当前研究热点，其中包括中空结构。一般而言中空结构的尺寸是纳米级，具有纳米材料的性质，比如单分散、稳定、可调控、自组装以及特殊的光电磁效应和催化性能[12]。
中空结构主要分为中空球形和管型。中空球型结构具有密度低、比表面积大、稳定性高、特殊的表面渗透等性质，此外在纳米外壳的内部存在着一个巨大的中空结构，这种独特的中空结构可以作为一些化学物质的载体，因而能够在化学、生物以及材料科学等领域发挥出独特的作用[13]。中空管由于独特的纳米管道结构，从而产生了一系列特殊的光学性质、电学性质、磁学性质，因而在储能、催化等领域有着广阔的发展空间和市场潜力[14]。
2. 实验部分
2.1. 仪器设备及其药品
表1 仪器设备表
仪器名称 型号 出产厂家
电化学工作站 电子天平 扫描电子显微镜 真空干燥箱 电热恒温鼓风干燥箱 恒温搅拌器 台式微量高速离心机 水热合成反应釜 CHI660C DT500A S-3000N DZF-6021 DHG-9036A 85-2A TG-16W 上海辰华仪器公司 常熟市意欧仪器仪表有限公司 日本日立 上海三发科学仪器有限公司 上海精宏实验设备有限公司 金坛市科杰仪器厂 长沙湘智离心机仪器有限公司
1. 引言 1
1.1. 超级电容器 1
1.2. 中空材料简介及制备方法 3
1.3. 氢氧化镍电极材料简介 4
1.4. 本课题的研究内容 8
2. 实验部分 9
2.1. 仪器设备及其药品 9
2.2. 实验步骤 10
3. 结果与分析 11
3.1. XRD表征 11
3.2. 形貌表征 12
3.3. 电化学测试 17
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
1. 引言
1.1. 超级电容器
1.1.1. 超级电容器简介及其应用
传统化石能源所带来的诸多问题困扰着当今的社会。石油、煤炭等资源是目前社会的主要能源，然而它们的大量燃烧向空气中排放了大量的CO2，造成温室效应，此外其中含有的N、S等元素以NOx和SOx的形式向大气中排放，造成环境污染，严重时还会形成强腐蚀的酸雨。此外，我国是一个汽车大国，大量的汽车向空中不断排放大量污染物，加剧了温室效用而且也导致空气质量严重变差，出现雾霾，对人们的呼吸系统造成影响，今年许多城市出现了这种情况。因此人们迫切需要开发新型的绿色能源来改善当前的能源问题，发展电动汽车就是其一，而电动汽车的电源倾向于使用超级电容器作为混合动力源，因为和传统充电电源相比，超级电容器具有如下优点[1]：
（1）高电容量。与其它电容器相比具有更高电容量，比同体积 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
电容器的电容量大几千倍。
（2）功率密度高。和电池相比，能够提供几百到几千的短时大电流，并且功率密度是普通电池的10～100倍。
（3）充放电效率高，使用寿命长。超级电容器在充放电过程对电极结构影响小，充放电循环次数可达十万次以上。
（4）放置时间长，长时间静置后再次充电对其电容几乎没有影响。
（5）正常使用温度范围宽，能够胜任低至– 40°C和高达70°C的环境。
（6）免维护，对环境无害。
据称俄罗斯ESMA公司和ELIT公司分别独自研究并且生产的氧化镍超级电容器作为公共汽车的动力源投入使用[2]，并且运营良好。
当然超级电容器这些优点也能在其它领域发挥作用，比如可以作为电脑、计时器的后备电源；可以与太阳能、风能等配套使用；在航空航天以及国防工业中作为大功率的高脉冲电流发生器[1,3]。由于超级电容器具有巨大优势，许多国家正在研究超级电容器并将其应用于军事、电动汽车以及通信等多种领域，目前超级电容器已经有产品上市，由此可见超级电容器拥有着巨大的市场空间和发展潜力。
1.2.2. 超级电容器原理
超级电容器是一种处在静电电容器和化学电源之间的电化学电容器[4]，由电极、集电极、电解质、隔离膜等几个部分组成[5]。根据储能原理的不同，超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器（或者称为法拉第赝电容器）[6]。双电层电容器的基本原理是由于电极和电解液接触，使得溶液中阴阳离子由于受到库仑引力以及分子引力的作用，使其向电极迁移，固液两相界面形成稳定、带不同电性的电荷，从而形成双电层，产生了电位差，这是双电层电容器充电原理[5]。当电容器外接导线时，情况正好相反，电容器中的离子重新被释放到溶液中，而电荷则通过外接导线发生迁移，形成电流，从而为用电器供电。制作这种电极的主要材料是具有较高比表面积的各种碳材料，比如活性炭以及碳纳米管等。传统活性炭是一种来源丰富、价格便宜、可塑性好、电化学稳定的碳材料，但是也存在着诸如较小的电容值、较大的内阻以及较差的频率响应特性等缺点[7]。近些年来，又发现了碳纳米管，其具有良好的导电性、巨大的比表面积和特殊的三维网孔结构，因而这种碳纳米管双电层超级电容器具有良好的性能，但是也存在双电层电容器普遍的缺点——比电容较小[8]。
法拉第准电容器的主要原理是基于氧化还原反应，在其电极表面或着内部的二维以及准二维空间中具有电活性的物质欠电位沉积，发生了具有高度可逆的化学吸脱附反应或者氧化还原反应，从而产生了和电极充电放电相关的电容。充电时电解液中的阴阳离子在电流的作用下移动到电极的表面，阴离子移动到阳极发生氧化反应，阳离子移动到阴极发生还原反应，从而使得电荷储存到电极中[5]。放电时恰好相反，电极中结合的离子又重新回到电解液中，而电荷就通过外接导线形成电流供用电器使用。从法拉第准电容器的基本原理可以看出，电极氧化还原反应在电极表面以及电极内部均可以发生，而双电层电容器只能在其表面发生，因而法拉第准电容器的电容量比相同比表面的双电层电容更高，因此法拉第准电容器如今更受关注。法拉第准电容的电极材料一般是高比面积的金属氧化物，目前氧化物电极中最具代表性的是贵金属氧化物RhO2，其在低温、酸性的电解质中测得的比电容超过1,000 F/g，但是RhO2也有诸多缺点，不但价格昂贵，而且具有毒性[9]，从而严重限制了 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
它的应用发展，因此寻找廉价、安全稳定的高比电容电极材料成为替代RhO2的一个热门方向。目前研究比较热门的是过渡金属的氧化物和氢氧化物，比如二氧化锰、一氧化镍、四氧化三钴、氢氧化镍、氢氧化钴等[10]。近些年来又出现了导电聚合物作为超级电容器的电极材料，比如聚苯胺薄膜、多孔聚吡咯烷等[11]。
1.3. 中空材料简介及制备方法
物质的结构会对物质的性质会产生十分重要的影响，例如物质达到纳米级时，由于纳米的超微结构产生了特殊的纳米效应，包括小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，从而导致其光、电、磁等多方面的物理性质以及化学性质都会发生显著变化。此外为物质构建特殊的结构能够也能提高其某一方面的性能，例如光导纤维，由于能够传递光信号而广泛应用于通信。因此制备纳米结构或者构建特殊结构是当前研究热点，其中包括中空结构。一般而言中空结构的尺寸是纳米级，具有纳米材料的性质，比如单分散、稳定、可调控、自组装以及特殊的光电磁效应和催化性能[12]。
中空结构主要分为中空球形和管型。中空球型结构具有密度低、比表面积大、稳定性高、特殊的表面渗透等性质，此外在纳米外壳的内部存在着一个巨大的中空结构，这种独特的中空结构可以作为一些化学物质的载体，因而能够在化学、生物以及材料科学等领域发挥出独特的作用[13]。中空管由于独特的纳米管道结构，从而产生了一系列特殊的光学性质、电学性质、磁学性质，因而在储能、催化等领域有着广阔的发展空间和市场潜力[14]。
2. 实验部分
2.1. 仪器设备及其药品
表1 仪器设备表
仪器名称 型号 出产厂家
电化学工作站 电子天平 扫描电子显微镜 真空干燥箱 电热恒温鼓风干燥箱 恒温搅拌器 台式微量高速离心机 水热合成反应釜 CHI660C DT500A S-3000N DZF-6021 DHG-9036A 85-2A TG-16W 上海辰华仪器公司 常熟市意欧仪器仪表有限公司 日本日立 上海三发科学仪器有限公司 上海精宏实验设备有限公司 金坛市科杰仪器厂 长沙湘智离心机仪器有限公司
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