化學(xué)碩士開(kāi)題報(bào)告納米
納米技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀已經(jīng)涉及到了社會(huì)的許多層面，在化學(xué)中又有怎樣的使用呢?
論文題目：納米多孔鎳管及復(fù)合薄膜電極的制備和電化學(xué)性能研究
一、選題背景
能源是人類(lèi)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)優(yōu)質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)和有效利用。自工業(yè)革命以來(lái)，能源的開(kāi)發(fā)與利用、能源和環(huán)境安全，已經(jīng)成為全世界共同關(guān)心的問(wèn)題。同時(shí)，消耗天然礦物能源(化石燃料)所產(chǎn)生的廢氣污染、全球氣候變暖及環(huán)境污染等問(wèn)題也日益嚴(yán)峻，引起了全球的廣泛關(guān)注，也是當(dāng)今社會(huì)急需解決的重大問(wèn)題。因此迫切需要開(kāi)發(fā)出高效，清潔無(wú)污染的優(yōu)質(zhì)能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫能、核能等。目前，上述可循環(huán)清潔能源的發(fā)展取得了一定的成果，然而如何高效利用開(kāi)發(fā)出來(lái)的可再生能源，將其轉(zhuǎn)換為移動(dòng)電子產(chǎn)品，電動(dòng)車(chē)和電力系統(tǒng)可應(yīng)用的能源，一直是研究者的研究重點(diǎn)，因此能量的存儲(chǔ)是又一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前，能有效的將各種能源轉(zhuǎn)化為電能，并進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換的裝置有許多，如燃料電池，鋰離子電池和電化學(xué)電容器超級(jí)電容器(sipercapacitors)，又稱(chēng)電化學(xué)電容器(electrochemicalcapacitors)，或功率電容器(powercapacitors)，是一種新型的儲(chǔ)能裝置，具有可快速充放電，循環(huán)壽命長(zhǎng)，功率密度高，對(duì)環(huán)境友好，使用溫度范圍寬等特點(diǎn)，其儲(chǔ)能性能介于二次電池和傳統(tǒng)電容器(金屬靜電電容器和電解電容器)之間[3-7]。如圖1.1所示，鉛酸電池、鋰離子電池等二次電池具有較高的能量密度(120-200Whkg-i)，但是其功率密度相對(duì)較低，一般為0.4-3kW-kg_i，且循環(huán)壽命較短(<1000)。同二次電池相比，超級(jí)電容器(包括雙電層電容器和法拉第贗電容器)，具有相對(duì)較低的能量密度(5-10Wh-kg),但是具有非常高的功率密度(5-30kW_kg_i)和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，表現(xiàn)出超過(guò)10萬(wàn)次的超長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定因此，超級(jí)電容器的這些儲(chǔ)能特性能滿(mǎn)足大功率電源的應(yīng)用需求。如在電力系統(tǒng)，鐵路系統(tǒng)，通訊應(yīng)用等領(lǐng)域中超級(jí)電容器具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用研究己經(jīng)成為當(dāng)今的熱潮。在混合電動(dòng)汽車(chē)中超級(jí)電容器可以用作車(chē)輛啟動(dòng)電源和牽引能源，提高汽車(chē)的啟動(dòng)效率，起到保護(hù)主蓄電池系統(tǒng)的作用。超級(jí)電容器具有電容性能是因?yàn)殡姌O材料與電解質(zhì)發(fā)生極化或化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生雙電層電容或法拉第贗電容。因此，電極材料的優(yōu)化和電解液的研究是發(fā)展超級(jí)電容器的主要方面。目前超級(jí)電容器的電極材料可分為碳材料、導(dǎo)電聚合物材料和過(guò)渡金屬氧化物材料。其中過(guò)渡金屬氧化物/氧氧化物復(fù)合電極材料的應(yīng)用和應(yīng)電容概念的提出，促使電化學(xué)電容器的能量密度有了較大的提升，滿(mǎn)足了高功率密度、大能量密度的能量存儲(chǔ)需求，從而加速了超級(jí)電容器的發(fā)展應(yīng)用[17]。超級(jí)電容器的類(lèi)型較多，按照儲(chǔ)能原理，超級(jí)電容器可分為三類(lèi)：雙電層電容器(electricaldouble-layercapacitors)，法拉第應(yīng)電容器(Faradicpseudocapacitors)和混合電容器(hybridcapacitors)。
二、研究目的和意義
隨著對(duì)清潔，可持續(xù)的能源需求的日益擴(kuò)大，使得具有高功率密度，穩(wěn)定持續(xù)的能量密度，長(zhǎng)循環(huán)壽命的電化學(xué)電容器儲(chǔ)能裝備得到大力的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。而提高電化學(xué)電容器的儲(chǔ)能性能主要在于電極材料的優(yōu)化。上文中談?wù)摰牟牧现饕翘疾牧�，�?dǎo)電聚合物，以及金屬氧化物。對(duì)于碳材料，高比表面積和合理的細(xì)孔分布已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并且已經(jīng)投入市場(chǎng)應(yīng)用，但其電容值依然比較低。對(duì)于導(dǎo)電聚合物，雖然顯示出高的比電容，但因其容易在充電/放電過(guò)程中發(fā)生膨脹，致使其循環(huán)壽命不長(zhǎng)。而金屬氧化物，不僅具有較高比電容還具有較好循環(huán)穩(wěn)定性，表現(xiàn)出較為優(yōu)越的電化學(xué)性能。如Rvi02就具有較好的電容電能，但其價(jià)格昂貴，商業(yè)化的應(yīng)用還比較局限。因此研宄廉價(jià)，性能優(yōu)越的電極材料對(duì)促進(jìn)超級(jí)電容器的發(fā)展及商品化應(yīng)用具有重大意義。
三、本文研究涉及的主要理論
18世紀(jì)中葉，人們就已經(jīng)制造出萊頓瓶進(jìn)行電能的存儲(chǔ)，這是最早的電能存儲(chǔ)裝置。到19世紀(jì)末，德國(guó)物理學(xué)家Helmholtz(亥姆赫茲)提出了界面雙電層理論，開(kāi)啟了超級(jí)電容器的.研究熱潮;在界面雙電層模型的基礎(chǔ)上，Gouy和Chapman對(duì)其模型理論進(jìn)行了改善和補(bǔ)充,提出了Gouy-Chapman雙電層模型;隨后Stern將上述兩種模型結(jié)合起來(lái)，細(xì)致地將電解液離子的分布劃分成兩個(gè)區(qū)域(Stern層和擴(kuò)散層)，形成了現(xiàn)在的超級(jí)電容器模型理論。Stern認(rèn)為，在電極/溶液界面存在著兩種相互作用(剩余電荷的靜電作用和電極與各粒子間的短程作用)，使得正負(fù)相異的剩余電荷相互靠近，緊貼電極表面排列，形成了Stern層;又因?yàn)榱Ｗ拥臒徇\(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致溶液中的帶電粒子不能完全緊貼電極，形成了具有分散性的擴(kuò)散層.
雙電層電容器(electricaldouble-layercapacitor)的電容產(chǎn)生主要是電極界面的靜電荷累積過(guò)程。這些靜電荷由電解質(zhì)和電極材料的晶格缺陷中產(chǎn)生的表面解離和離子吸附過(guò)程形成的。其能量存儲(chǔ)過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理機(jī)制。其充放電工作原理如圖1.2所示，在外加電壓的作用下，兩個(gè)無(wú)活性的多孔電極板在電解質(zhì)中分別吸附正負(fù)離子形成兩個(gè)電容性存儲(chǔ)層(雙電層，也稱(chēng)分離電荷層)。這種存儲(chǔ)能量的過(guò)程是可逆的，因此，雙電層電容器可以進(jìn)行數(shù)次充放電。
碳基材料是公認(rèn)的已經(jīng)工業(yè)化的電極材料，碳材料的優(yōu)點(diǎn)包括原料豐富，成本較低，易于加工，無(wú)毒性，較高的比表面積，良好的電子傳導(dǎo)性，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)點(diǎn)性以及較寬的工作溫度范圍等。從1957年，Beck申請(qǐng)利用高比表面積的碳材料制作雙電層電容器開(kāi)始，隨后碳材料得到了快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于雙電層電容器的制備。Coiiwayt23]等提出作為雙電層電容電極的碳材料必須具備以下三個(gè)特征：(1)高比表面積，有序比表面積要超過(guò)1000(2)多孔基質(zhì)有較高的電子導(dǎo)電率，保證電極材料的導(dǎo)電性;(3)合適的孔徑分布，保證電解質(zhì)無(wú)障礙擴(kuò)散。然而，碳材料的最大容量受到活性電極的比表面積和孔徑分布的限制，一般容量在0.15-0.4F.cm-2或150F.g]。因此，現(xiàn)今主要通過(guò)優(yōu)化碳材料的形貌結(jié)構(gòu)，增大碳基材料的比表面積和控制孔徑分布等方法改善其電容性能。碳材料種類(lèi)繁多，具有形貌和結(jié)構(gòu)多樣性，如活性炭，碳納米管，炭氣凝膠，石墨煉等。
四、本文研究的主要內(nèi)容
本論文在以多孔鎳及其氧化物/氫氧化物為研究對(duì)象，研究了其電化學(xué)性能：(1)通過(guò)電化學(xué)脫合金法在光滑鎳基底上制備了納米多孔鎮(zhèn)管，探索了電解液成分、電活性物質(zhì)的質(zhì)量對(duì)電極的電化學(xué)性能影響。采用SEM，XRD等物理手段對(duì)電極的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征;采用循環(huán)伏安，恒流充放電對(duì)電極的充放電性能進(jìn)行測(cè)試。(2)采用電化學(xué)氧化法對(duì)最優(yōu)條件下制備的納米多孔鎮(zhèn)管進(jìn)行氧化得到Ni(OH)2/NiO/Ni復(fù)合薄膜電極，將此電極應(yīng)用于超級(jí)電容器的研究。通過(guò)SEM，TEM，XRD，XPS,Raman等物理手段對(duì)電極的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征;采用循環(huán)伏安掃描及恒流充放電技術(shù)對(duì)其贗電容性能進(jìn)行研宄。本論文的工作是國(guó)家自然科學(xué)基金一一納米多孔結(jié)構(gòu)金屬鎳膜的電化學(xué)制備、表面修飾及其腐電容性能(No.51174176)的一部分。
五、寫(xiě)作提綱
摘要
Abstract
目錄
第一章緒論
1.1引言
1.2雙電層電容器
1.2.1雙電層電容器的發(fā)展
1.2.2雙電層電容器的儲(chǔ)能機(jī)理
1.2.3雙電層電容器的電極材料
1.3法拉第贗電容器
1.3.1贗電容器儲(chǔ)能機(jī)理
1.3.2法拉第贗電容器的電極材料
1.4混合型電容器
1.5電解液對(duì)超級(jí)電容器性能的研究
1.6超級(jí)電容器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)
1.7本論文的研究背景和主要內(nèi)容
本章參考文獻(xiàn)
第二章實(shí)驗(yàn)部分
2.1實(shí)驗(yàn)試劑與儀器
2.1.1化學(xué)試劑
2.1.2測(cè)試儀器
2.2電極材料的制備
2.2.1基底預(yù)處理
2.2.2納米多孔鎳管的制備
2.2.3Ni(OH)_2/NiO/Ni復(fù)合薄膜電極的制備
2.3電極材料的物理結(jié)構(gòu)表征
2.3.1X射線(xiàn)衍射(XRD)分析
2.3.2X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)分析
2.3.3拉曼光譜(Raman)分析
2.3.4掃描電子顯微鏡(SEM)分析
2.3.5透射電子顯微鏡(TEM)分析
2.4電極材料的電化學(xué)性能測(cè)試
2.4.1循環(huán)伏安(CV)測(cè)試
2.4.2恒流充放電測(cè)試
2.4.3電化學(xué)阻抗測(cè)試
第三章納米多孔鎳管的制備及其電化學(xué)性能表征
3.1引言
3.2實(shí)驗(yàn)方法
3.2.1電極制備
3.2.2電極的表面形貌和結(jié)構(gòu)表征
3.2.3電極的電化學(xué)性能測(cè)試
3.3結(jié)果和討論
3.3.1光滑鎳箔基底在電鍍液中的電化學(xué)行為
3.3.2電沉積液濃度對(duì)電極的電化學(xué)性能的影響
3.3.3沉積質(zhì)量對(duì)電極的電化學(xué)性能影響
3.4本章小結(jié)
本章參考文獻(xiàn)
第四章Ni(OH)_2/NiO/Ni復(fù)合薄膜的制備及電化學(xué)性能研究
4.1引言
4.2實(shí)驗(yàn)方法
4.2.1電極的制備方法
4.2.2電極質(zhì)量的計(jì)算方法
4.2.3電極的表面形貌和結(jié)構(gòu)表征
4.2.4電極的電化學(xué)性能測(cè)試
4.3結(jié)果與討論
4.3.1納米多孔鎳管的微觀(guān)形貌
4.3.2電化學(xué)氧化制備復(fù)合薄膜電極
4.3.3復(fù)合薄膜電極的微觀(guān)形貌
4.3.4復(fù)合薄膜電極的結(jié)構(gòu)表征
4.3.5復(fù)合薄膜電極的電化學(xué)性能表征
4.4本章小結(jié)
本章參考文獻(xiàn)
第五章全文總結(jié)
5.1論文總結(jié)
5.2論文創(chuàng)新點(diǎn)
5.3工作展望
致謝
六、參考文獻(xiàn)
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