創(chuàng)新性綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)—自支撐三維電極的制備及電容性能研究

王麗麗 曲玉寧 安會(huì)琴 余建國(guó) 賀曉凌 嚴(yán) 峰

（天津工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，天津 300387）

碳材料通常應(yīng)用于雙電層電容器的電極材料，其循環(huán)壽命長(zhǎng)，導(dǎo)電性好，但比電容和能量密度相對(duì)較低。與雙電層電容器相比，以金屬（氫）氧化物為電極材料的贗電容器具有較高比電容，能量密度較高，但其循環(huán)穩(wěn)定性較差，因此，本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路是結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，制備碳布為支撐體、金屬氫氧化物原位生長(zhǎng)的三維電極材料并進(jìn)行電容性能研究。通過實(shí)驗(yàn)的開展鍛煉學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、分析問題、解決問題以及數(shù)據(jù)處理能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

試劑：碳布、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、六亞甲基四胺(HMT)

儀器：烘箱、分析天平、管式爐、電化學(xué)工作站等。

1.2 柔性電極材料的制備

首先將棉布裁剪成1×2cm2尺寸后清洗、干燥，再在管式爐中氮?dú)獗Ｗo(hù)下800℃碳化1h，得到碳布基底。稱取2.8gHMT，Ni2+和Co2+的摩爾比保持1:2不變，稱取相應(yīng)的不同質(zhì)量的CoCl2·6H2O和NiCl2·6H2O，向其中加入50mL去離子水，形成混合溶液。將碳布浸入上述溶液中，室溫下磁力攪拌30min后將其轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜，100℃下反應(yīng)5h后得到以碳布為支撐體的鎳鈷雙氫氧化物電極材料（NiCoLDH/C），洗凈烘干待用。本實(shí)驗(yàn)中NiCl2·6H2O的摩爾量選取3、4和5mmol，CoCl2·6H2O的摩爾量選取6、8和10mmol。

1.3 電極材料的制備及電化學(xué)性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)所得碳布為支撐體的NiCo LDH/C三維電極材料為工作電極，對(duì)電極為Pt片，參比電極為Hg/HgO，組裝成三電極測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行電容性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

將測(cè)得的數(shù)據(jù)采用origin作圖，鍛煉學(xué)生利用軟件作圖及結(jié)果分析能力。

圖1 不同Ni2+和Co2+初始濃度下制備電極的循環(huán)伏安曲線

圖2 Ni-4-Co-8電極在不同掃描速率下的CV曲線

如圖1所示。在10mV s-1的掃速下，電壓窗口為0～0.55V的區(qū)間出現(xiàn)一對(duì)氧化還原峰，表明在電極材料主要通過法拉第氧化還原反應(yīng)儲(chǔ)存電能。隨著Ni2+和Co2+初始濃度的增加，循環(huán)伏安曲線的面積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，電化學(xué)性能出現(xiàn)明顯的差異，在相同的掃描速率下，Ni-4-Co-8電極的面積最大，表明當(dāng)加入反應(yīng)物的量分別為Ni2+=4mmol，Co2+=8mmol時(shí)所制備的NiCo LDH/C電極材料可以儲(chǔ)存更多的電荷。Ni-4-Co-8電極的在不同掃速下的循環(huán)伏安測(cè)試如圖2所示，結(jié)果表明氧化峰與還原峰隨著掃描速率的增加分別朝兩側(cè)方向移動(dòng)，其原因是電極內(nèi)部發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，當(dāng)掃描速率加快，擴(kuò)散阻力增加，使得氧化峰和還原峰分別向兩側(cè)方向移動(dòng)。

圖3 三種電極材料在電流密度為5mA/cm2條件下的恒流充放電圖

圖4 三種電極材料的倍率性能對(duì)比圖

為比較三個(gè)電極材料的電容性能，在電壓窗口為0-0.50V，電流密度為5mA/cm2時(shí)進(jìn)行CP測(cè)試，結(jié)果如圖3所示，曲線中存在明顯的滯留平臺(tái)，進(jìn)一步表明電極的法拉第電容特性，與CV曲線中氧化還原峰的結(jié)果相一致。根據(jù)公式計(jì)算出電極材料Ni-3-Co-6、Ni-4-Co-8、Ni-5-Co-10的面積比電容分別達(dá)到1.77、2.78、1.58F/cm2，其中Ni-4-Co-8電極的比電容最大，當(dāng)鎳鈷離子濃度較小或較大時(shí)，導(dǎo)致碳布上NiCo LDH生長(zhǎng)不完全，不完整的結(jié)構(gòu)使反應(yīng)中的電化學(xué)活性位點(diǎn)減少，影響離子的擴(kuò)散和電子的傳輸。因此，當(dāng)反應(yīng)物在Ni2+=4 mmol，Co2+=8mmol時(shí)為合成鎳鈷雙氫氧化物的最佳生長(zhǎng)條件，此時(shí)電極材料具有最佳的電容性能。圖4為電極材料的倍率性能對(duì)比圖，在電流密度高達(dá)100 mA/cm2時(shí)，三種電極電容保持率基本都在70%左右，證明所制備的NiCo LDH/C電極具有良好的倍率性能。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以碳布為支撐體，采用水熱法在其表面原位生長(zhǎng)高理論比容量的金屬氫氧化物，將碳布與金屬氫氧化物的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，使兩者發(fā)揮協(xié)同作用，制備出碳基金屬氫氧化物復(fù)合電極材料并對(duì)其進(jìn)行電容性能研究。本文通過實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程中動(dòng)手能力的鍛煉、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論等環(huán)節(jié)逐漸培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題、自主思考等能力，對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新、綜合能力的培養(yǎng)具有重要作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過此創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及完成充分鍛煉了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、分析、總結(jié)問題能力，同時(shí)學(xué)習(xí)了origin繪圖軟件的使用方法，對(duì)學(xué)生綜合能力的提高具有重要意義。