化學碩士論文開題報告范文
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論文題目：納米多孔鎳管及復合薄膜電極的制備和電化學性能研究
一、選題背景
能源是人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，社會的發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)能源的開發(fā)和有效利用。自工業(yè)革命以來，能源的開發(fā)與利用、能源和環(huán)境安全，已經(jīng)成為全世界共同關(guān)心的問題。同時，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)境污染等問題也日益嚴峻，引起了全球的廣泛關(guān)注，也是當今社會急需解決的重大問題。因此迫切需要開發(fā)出高效，清潔無污染的優(yōu)質(zhì)能源，如太陽能、風能、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發(fā)出來的可再生能源，將其轉(zhuǎn)換為移動電子產(chǎn)品，電動車和電力系統(tǒng)可應(yīng)用的能源，一直是研究者的研究重點，因此能量的存儲是又一個關(guān)鍵技術(shù)。目前，能有效的將各種能源轉(zhuǎn)化為電能，并進行能量儲存與轉(zhuǎn)換的裝置有許多，如燃料電池，鋰離子電池和電化學電容器超級電容器(sipercapacitors)，又稱電化學電容器(electrochemicalcapacitors)，或功率電容器(powercapacitors)，是一種新型的儲能裝置，具有可快速充放電，循環(huán)壽命長，功率密度高，對環(huán)境友好，使用溫度范圍寬等特點，其儲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，超級電容器(包括雙電層電容器和法拉第贗電容器)，具有相對較低的能量密度(5-10Wh-kg),但是具有非常高的功率密度(5-30kW_kg_i)和較長的循環(huán)壽命，表現(xiàn)出超過10萬次的超長循環(huán)穩(wěn)定因此，超級電容器的這些儲能特性能滿足大功率電源的應(yīng)用需求。如在電力系統(tǒng)，鐵路系統(tǒng)，通訊應(yīng)用等領(lǐng)域中超級電容器具有明顯的優(yōu)勢，其在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究己經(jīng)成為當今的熱潮。在混合電動汽車中超級電容器可以用作車輛啟動電源和牽引能源，提高汽車的啟動效率，起到保護主蓄電池系統(tǒng)的作用。超級電容器具有電容性能是因為電極材料與電解質(zhì)發(fā)生極化或化學反應(yīng)會產(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)展超級電容器的主要方面。目前超級電容器的電極材料可分為碳材料、導電聚合物材料和過渡金屬氧化物材料。其中過渡金屬氧化物/氧氧化物復合電極材料的應(yīng)用和應(yīng)電容概念的提出，促使電化學電容器的能量密度有了較大的提升，滿足了高功率密度、大能量密度的能量存儲需求，從而加速了超級電容器的發(fā)展應(yīng)用[17]。超級電容器的類型較多，按照儲能原理，超級電容器可分為三類：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
隨著對清潔，可持續(xù)的能源需求的日益擴大，使得具有高功率密度，穩(wěn)定持續(xù)的能量密度，長循環(huán)壽命的電化學電容器儲能裝備得到大力的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。而提高電化學電容器的儲能性能主要在于電極材料的優(yōu)化。上文中談?wù)摰牟牧现饕翘疾牧希瑢щ娋酆衔�，以及金屬氧化物。對于碳材料，高比表面積和合理的細孔分布已經(jīng)實現(xiàn)，并且已經(jīng)投入市場應(yīng)用，但其電容值依然比較低。對于導電聚合物，雖然顯示出高的比電容，但因其容易在充電/放電過程中發(fā)生膨脹，致使其循環(huán)壽命不長。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)越的電化學性能。如Rvi02就具有較好的電容電能，但其價格昂貴，商業(yè)化的應(yīng)用還比較局限。因此研宄廉價，性能優(yōu)越的電極材料對促進超級電容器的發(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世紀中葉，人們就已經(jīng)制造出萊頓瓶進行電能的存儲，這是最早的電能存儲裝置。到19世紀末，德國物理學家Helmholtz(亥姆赫茲)提出了界面雙電層理論，開啟了超級電容器的研究熱潮;在界面雙電層模型的基礎(chǔ)上，Gouy和Chapman對其模型理論進行了改善和補充,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，細致地將電解液離子的分布劃分成兩個區(qū)域(Stern層和擴散層)，形成了現(xiàn)在的超級電容器模型理論。Stern認為，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;又因為粒子的熱運動，導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程形成的。其能量存儲過程中不發(fā)生化學反應(yīng)，是一個簡單的物理機制。其充放電工作原理如圖1.2所示，在外加電壓的作用下，兩個無活性的多孔電極板在電解質(zhì)中分別吸附正負離子形成兩個電容性存儲層(雙電層，也稱分離電荷層)。這種存儲能量的過程是可逆的，因此，雙電層電容器可以進行數(shù)次充放電。
碳基材料是公認的已經(jīng)工業(yè)化的電極材料，碳材料的優(yōu)點包括原料豐富，成本較低，易于加工，無毒性，較高的比表面積，良好的電子傳導性，優(yōu)異的化學穩(wěn)點性以及較寬的工作溫度范圍等。從1957年，Beck申請利用高比表面積的碳材料制作雙電層電容器開始，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特征：(1)高比表面積，有序比表面積要超過1000(2)多孔基質(zhì)有較高的電子導電率，保證電極材料的導電性;(3)合適的孔徑分布，保證電解質(zhì)無障礙擴散。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/氫氧化物為研究對象，研究了其電化學性能：(1)通過電化學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)量對電極的電化學性能影響。采用SEM，XRD等物理手段對電極的形貌和結(jié)構(gòu)進行表征;采用循環(huán)伏安，恒流充放電對電極的充放電性能進行測試。(2)采用電化學氧化法對最優(yōu)條件下制備的納米多孔鎮(zhèn)管進行氧化得到Ni(OH)2/NiO/Ni復合薄膜電極，將此電極應(yīng)用于超級電容器的研究。通過SEM，TEM，XRD，XPS,Raman等物理手段對電極的形貌和結(jié)構(gòu)進行表征;采用循環(huán)伏安掃描及恒流充放電技術(shù)對其贗電容性能進行研宄。本論文的工作是國家自然科學基金一一納米多孔結(jié)構(gòu)金屬鎳膜的電化學制備、表面修飾及其腐電容性能(No.51174176)的一部分。
五、寫作提綱
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雙電層電容器的儲能機理
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贗電容器儲能機理
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電解液對超級電容器性能的研究
1.6超級電容器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢
1.7本論文的研究背景和主要內(nèi)容
本章參考文獻
第二章實驗部分
2.1實驗試劑與儀器
2.1.1化學試劑
2.1.2測試儀器
2.2電極材料的制備
2.2.1基底預處理
2.2.2納米多孔鎳管的制備
2.2.3Ni(OH)_2/NiO/Ni復合薄膜電極的制備
2.3電極材料的物理結(jié)構(gòu)表征
2.3.1X射線衍射(XRD)分析
2.3.2X射線光電子能譜(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電極材料的電化學性能測試
2.4.1循環(huán)伏安(CV)測試
2.4.2恒流充放電測試
2.4.3電化學阻抗測試
第三章納米多孔鎳管的制備及其電化學性能表征
3.1引言
3.2實驗方法
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電極的電化學性能測試
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行為
3.3.2電沉積液濃度對電極的電化學性能的影響
3.3.3沉積質(zhì)量對電極的電化學性能影響
3.4本章小結(jié)
本章參考文獻
第四章Ni(OH)_2/NiO/Ni復合薄膜的制備及電化學性能研究
4.1引言
4.2實驗方法
4.2.1電極的制備方法
4.2.2電極質(zhì)量的計算方法
4.2.3電極的表面形貌和結(jié)構(gòu)表征
4.2.4電極的電化學性能測試
4.3結(jié)果與討論
4.3.1納米多孔鎳管的微觀形貌
4.3.2電化學氧化制備復合薄膜電極
4.3.3復合薄膜電極的微觀形貌
4.3.4復合薄膜電極的結(jié)構(gòu)表征
4.3.5復合薄膜電極的電化學性能表征
4.4本章小結(jié)
本章參考文獻
第五章全文總結(jié)
5.1論文總結(jié)
5.2論文創(chuàng)新點
5.3工作展望
致謝
六、參考文獻
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