水热法制备氧化镍及其超电容性能的研究

论 文 题 目： 水热法制备氧化镍及其超电容性能的研究姓 名：院 系 专 业：班 级： 化学 号： 0指 导 老 师：完 成 时 间：I目录摘 要 .IIIAbstract .IV一 前 言 .11.1 超级电容器的研究背景 .11.2 超级电容器的性能特点 .21.3 电化学电容器的工作原理及分类 .31.4 超级电容器研究的电极材料及应用 .41.5 选题依据 .4二 实验部分 .62.1 实验试剂与仪器 .62.2 氧化镍的制备 .72.3 电化学性能的测试 .7三 结果与讨论 .83.1 不同热处理的氧化镍电化学性质研究 .83.1.1 循环伏安测试 .83.1.2 恒流充放电测试 .93.1.3 交流阻抗测试 .113.1.4 小结 .113.2 反应温度对其电化学性质的影响 .113.2.1 循环伏安测试 .123.2.2 恒流充放电测试 .133.2.3 交流阻抗测试 .153.2.4 小结 .163.3 沉淀剂浓度对其电化学性质的影响 .163.3.1 循环伏安测试 .163.3.2 恒流充放电测试 .183.3.3 交流阻抗测试 .20II3.3.4 小结 .20四 结 论 .21参考文 献 .22致 谢 .24III摘 要利用水热法，以硝酸镍为原料，尿素为沉淀剂，柠檬酸三钠为模版制备了氧化镍。通过循环伏安、恒电流充放电等测试表明，在硝酸镍与尿素的摩尔比为 1：4，反应温度为 100 ，热处理温度在 300 时，氧化镍电极在 6 molL-1氢关键词：水热法；超级电容器；电容性能IVAbstractUsing hydrothermal method, nickel nitrate as raw material, urea as precipitating agent, sodium citrate as template preparation of the nickel oxide. By cyclic voltammograms and constant current charge and discharge test showed that the mole ratio of 1:4, nickel nitrate and urea reaction temperature is 100 , the heat treatment temperature at 300 , nickel oxide electrodes in 6 molL-1 and potassium hydroxide solution from 0.0 V to 0.50 V (vs. SCE) potential has good electrochemical propeV with high specific capacitance, the quality of the current density of 5 mA/g, its quality than single electrode capacitance of up to 500 Fg-1.Keywords: Hydrothermal; Super capacitor; Capacitance performance化学与生物科学学院 2013 届本科毕业生毕业论文（设计）1一 前 言1.1 超级电容器的研究背景电容器是一种能储蓄电能的设备与器件，由于它的使用能避免电子仪器与设备因电源瞬间切断或电压偶尔降低而产生的错误动作，因而它作为备用电源被广泛应用于声频、视频设备调谐器、电话机、传真机及计算机等通讯设备和家用电器中。由于电容器的储存能量相对较小。随着电子产业和数字信息技术的发展,资源和能源日渐短缺，生态环境日益恶化，人类将更加依赖洁净和可再生的新能源，所以电容器的发展又被提升到科学研究的一个新的高度。电容器的发展经历了电解电容器、瓷介电容器、有机膜电容器和超级电容器几个阶段。1879 年，Hemholz 的工作发现了双电层结构的电化学电容性质 1，但双电层率密度的要求，在移动通讯、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天以及国防科技等领域具有重要和广阔的应用前景，所以在世界范围内引起了越来越多的关注 3。目前，随着环境的日益恶化和环境保护观念的逐渐增强，低排放和零排放的环保型交通工具的应用成为大势所趋 4。电动汽车已成为各国研究的一个热点。而常用二次电池如镍锅、镍氢、铿离子电池等,具有较高的比能量，但功率密度很低，都不超过 500W/Kg，而且电池在大脉冲电流放电或快速充电时会引起电池内部发热、升温，降低电池的使用寿命，甚至造成危险。燃料电池同样存在功率密度低和耐高脉冲充、放电性能差的不足。在考虑到环保需要而设计开发的电动汽车和复合电动汽车的动力系统中，若单独使用电池无法满足动力系统的要求。而将高期比功率和高比能量的超级电容器与电池联用来作为电动汽车的用化的超级电容器，用于各种场合的需要，将会具有非常大的社会效益和现实意义 5。1.2 超级电容器的性能特点超级电容器具有比常规电容器更大的比能量，比蓄电池更大的比功率和循环使用寿命。比容量可达传统电容器容量的 100 倍以上。能量密度是化学电源的十分之一左右，却有着比电池高 10 倍以上的功率密度。因此，超级电容器已不再是一般意义上的电路元件，而是一种新型环保储能元件。将超级电容器与蓄电池并联使用，可减少电动汽车对蓄电池大电流放电的限制，延长蓄电池的使用寿命，并且对环境无污染，是真正的绿色能源。它是介于常规电容器和蓄电池之间的新型储能设备及器件，它具有许多传统储能器件所不具备的优点。化学与生物科学学院 2013 届本科毕业生毕业论文（设计）2表 1.1 是超级电容器与电池、传统电容器性能参数的比较 5-7。表 1-1 超级电容器与电池、传统电容器性能的比较蓄电池 传统电容器 超级电容器充电时间 15h 10-610-3s 130s放电时间 0.33h 10-610-3s 130s能量密度(W.kg -1) 20100 0.1 110功率密度(W.kg -1) 50200 10.000 10002000循环寿命 5002000 10002000作为一种新型储能元件，超级电容器的特点主要有：1高能量密度。超级电容器比传统电容器的能量密度大 10100 倍，达到110Wh/kg。2高功率密度。超级电容器的功率密度可以达到 2kw/kg 左右，为电池的 10 倍以上，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流,非常适合用于短时间高功率输出的场合。3电容器相比，工作电压较低，一般水系电解液。1.3 电化学电容器的工作原理及分类根据储能机理的不同,超级电容器可以分为双电层电容器和赝电容器。双电层电容器主要利用电极和电解质界面的双电层来存储电荷；赝电容电容器又称法拉第电容器，是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的电化学吸附/脱附或氧化 /还原反应，进行能量存储，它可以分为吸附赝电容和氧化还原赝电容 8。双电层电容的充放电原理：金属表面上的静电荷从溶液中吸收部分不规则的分配离子，使它们在电极/溶液界面的溶液一侧，离电极一定距离排成一排，形成一个引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性;当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原化学与生物科学学院 2013 届本科毕业生毕业论文（设计）3理。法拉第准电容的充放电原理：在电活性物质中，随着存在法拉第电荷传递化学变化的电化学过程的进行，极化电极上发生欠电位沉积或发生氧化还原反应。法拉第电因此可在短时间内进行电荷转移，即可获得更高的比功率。同时，在整个充放电过程中，电极上没有发生决定反应速度与限制电极寿命的电活性物质的相变化，因而循环寿命长。它还具有其他特点：如比能量高、快速充放电能力强。1.4 超级电容器研究的电极材料及应用对于超级电容器的研究主要集中在电极活性物质的研究上，目前超级电容器通常所用的电极材料总体可分为三类：第一类是具有较大比表面积的多孔炭材料,用于超级电容器的电极材料的炭材料种类很多，具体有：活性炭、炭黑、碳纤维、炭气凝胶、玻璃炭及新型纳米材料碳纳米管等；第二类是过渡金属化合物(氧化物、氮化物、碳化物)，如氧化钉、氧化铱、氧化镍、二氧化锰、氧化钻、氮化铝、碳化佗、氧化钒等；第三类是掺杂的导电聚合物,如聚毗咯，聚唆吩等 9,10。因为电化学和增加电池寿命。因此，电化学电容器可以在能量转变和储存领域补充电池的不足甚至取代电池。未来几十年电化学电容器制造商的主要目标市场应该是运输系统包括混合动力和地铁。1.5 选题依据全球经济的迅速发展、矿物燃料的不断消耗及环境污染的日益严重使得对高效、清洁、可持续发展的可替代能源的寻找变得越来越迫切，和能源转换相关的新技术也因此成了全世界科学家们研究的热点。在很多应用领域里，最有效且最实际的能量转换与储存技术要数电池和电化学电容器。电化学电容器具有功率密度高，循环寿命长，充放电时间短，安全性高等优点，这些优异的特性使得其在电子设备和混合电动车方面受到高度重视。虽然电不仅能作为锂离子电极材料，并有较高的理论容量（718 mAhg-1），还能作为电化学电容器电极材料，通过法拉第氧化还原反应进行储能。本文采用水热法制备氧化镍电极材料，可以使其表现出好的电化学性能,实现用最简单的方法制备最有用的材料符合绿色化学理念。化学与生物科学学院 2013 届本科毕业生毕业论文（设计）4二 实验部分2.1 实验试剂与仪器试剂名称 分子式 纯度 生产厂家硝酸镍 Ni(NO3)26H2O 分析纯 西安化学试剂厂柠檬酸三钠 C6H5Na3O72H 2O 分析纯 天津市大茂化学试剂尿素 CO(NH2)2 分析纯 广东汕头市西陇化工厂氢氧化钾 KOH 分析纯 天津市科盟化工工贸有限公司化学与生物科学学院 2013 届本科毕业生毕业论文（设计）5氯化钾 KCL , 分析纯 天津市福晨化学试剂厂无水乙醇 C2H5OH 分析纯 天津市北联精细化学品开限公司 浓硝酸 HNO3 分析纯 天津市博迪化工.有限公司聚四氟乙烯 (CF2-CF2)n 化学纯 广东汕头市西陇化工厂镍网 Ni 电池级 英可高新技术材料(沈阳)有限公司乙炔黑 C 电池级 重庆松柏化工有限公司仪器名称 型号规格 生产厂家磁力加热搅拌