化學碩士開題報告納米

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化學碩士開題報告納米

　　納米技術的應用現狀已經涉及到了社會的許多層面，在化學中又有怎樣的使用呢?

化學碩士開題報告納米

　　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基礎，社會的發展離不開優質能源的開發和有效利用。自工業革命以來，能源的開發與利用、能源和環境安全，已經成為全世界共同關心的問題。同時，消耗天然礦物能源(化石燃料)所產生的廢氣污染、全球氣候變暖及環境污染等問題也日益嚴峻，引起了全球的廣泛關注，也是當今社會急需解決的重大問題。因此迫切需要開發出高效，清潔無污染的優質能源，如太陽能、風能、氫能、核能等。目前，上述可循環清潔能源的發展取得了一定的成果，然而如何高效利用開發出來的可再生能源，將其轉換為移動電子產品，電動車和電力系統可應用的能源，一直是研究者的研究重點，因此能量的存儲是又一個關鍵技術。目前，能有效的將各種能源轉化為電能，并進行能量儲存與轉換的裝置有許多，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，循環壽命長，功率密度高，對環境友好，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)和較長的循環壽命，表現出超過10萬次的超長循環穩定因此，超級電容器的這些儲能特性能滿足大功率電源的應用需求。如在電力系統，鐵路系統，通訊應用等領域中超級電容器具有明顯的優勢，其在電動汽車領域的應用研究己經成為當今的熱潮。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發生極化或化學反應會產生雙電層電容或法拉第贗電容。因此，電極材料的優化和電解液的研究是發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用和應電容概念的提出，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展應用[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，可持續的能源需求的日益擴大，使得具有高功率密度，穩定持續的能量密度，長循環壽命的電化學電容器儲能裝備得到大力的發展和廣泛的應用。而提高電化學電容器的儲能性能主要在于電極材料的優化。上文中談論的材料主要是碳材料，導電聚合物，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實現，并且已經投入市場應用，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/放電過程中發生膨脹，致使其循環壽命不長。而金屬氧化物，不僅具有較高比電容還具有較好循環穩定性，表現出較為優越的電化學性能。如Rvi02就具有較好的電容電能，但其價格昂貴，商業化的應用還比較局限。因此研宄廉價，性能優越的電極材料對促進超級電容器的發展及商品化應用具有重大意義。

　　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將上述兩種模型結合起來，細致地將電解液離子的分布劃分成兩個區域(Stern層和擴散層)，形成了現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和電極材料的晶格缺陷中產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生化學反應，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次充放電。

　　碳基材料是公認的已經工業化的電極材料，碳材料的優點包括原料豐富，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，優異的化學穩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展，被廣泛應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，現今主要通過優化碳材料的形貌結構，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，具有形貌和結構多樣性，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管，探索了電解液成分、電活性物質的質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構進行表征;采用循環伏安，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條件下制備的納米多孔鎮管進行氧化得到Ni(OH)2/NiO/Ni復合薄膜電極，將此電極應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構進行表征;采用循環伏安掃描及恒流充放電技術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構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

　　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超級電容器的應用及發展趨勢

　　1.7本論文的研究背景和主要內容

　　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電極材料的物理結構表征

　　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構表征

　　3.2.3電極的電化學性能測試

　　3.3結果和討論

　　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沉積質量對電極的電化學性能影響

　　3.4本章小結

　　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電極質量的計算方法

　　4.2.3電極的表面形貌和結構表征

　　4.2.4電極的電化學性能測試

　　4.3結果與討論

　　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復合薄膜電極的結構表征

　　4.3.5復合薄膜電極的電化學性能表征

　　4.4本章小結

　　本章參考文獻

　　第五章全文總結

　　5.1論文總結

　　5.2論文創新點

　　5.3工作展望

　　致謝

　　六、參考文獻

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