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氢氧化镍基能量储存与转换电极体系的探究

作　者: 练慧勤
导　师: 曹楚南；王建明
学　校: 浙江大学
专　业: 物理化学
关键词: 氢氧化镍 氧化性能量储存 电化学性能 TiO2-Ni（OH）2双层 Ni（OH）2氧化 光电化学性能
分类号: TM910.3
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


氢氧化镍电极由于其在镍基碱性电池、电化学电容器、有机电合成、传感器及电致变色装置等领域的广泛应用,最近几十年来正日益引起人们的兴趣。Ni(OH)2/Ni00H电对因其电极电位高、电化学容量大及电化学可逆性优等特性被视为最重要的氧化/还原电对之一。从Ni(OH)2到NiOOH的转化(氢氧化镍的氧化)意味着氧化性能量在氢氧化镍中的储存。考虑到氢氧化镍电极的广泛应用,探索环境友好的简易的实现氧化性能量在氢氧化镍中储存的方法无疑具有重要意义。本论文主要探究了实现氧化性能量在氢氧化镍中储存的几种方法。第三章中,以硝酸镍为主盐采用尿素均相沉淀法制备了钴取代氢氧化镍样品,并对其结构和电化学性能进行了表征与测试。X射线衍射和红外光谱结果表明,所制备的不同含钴量的样品均为典型α相,样品的结晶度随钴含量的增加而降低。电化学测试结果表明,随着样品中含钴量的增加,氢氧化镍电极的可逆性逐渐提高,其放电容量逐渐增大。随着电化学循环的进行,含钴样品的放电容量逐渐增加。含钴24.4%样品在260次循环后其放电容量达到415mAh·g-1(以纯氢氧化镍计)。钴的掺杂降低了氢氧化镍的氧化电位,同时提高了其析氧电位,这可能是导致氢氧化镍电极性能改进的原因之一。第四章中,研究了电解液组成和氢氧化镍层表面结构对二氧化钛的氧化性能量储存的影响。具有较高OH-含量的电解液有利于紫外光辐射下二氧化钛产生的氧化性能量在氢氧化镍中的储存。考察了阴极沉积电流对氢氧化镍层表面结构的影响,在1.0mA·cm-2的阴极沉积电流下获得了纳米多孔结构的TiO2-Ni(OH)2双层电极。多孔结构有利于电解液在电极内部的渗透,从而增加电化学反应的有效面积；纳米结构的颗粒可以提供高比表面积、快速的氧化还原反应和较短的固相扩散路径。上述两个因素是所制备的纳米多孔结构的TiO2-Ni(OH)2双层电极具有较好的氧化性能量储存性能的主要原因。第五章中,研究了在一个由纳米多孔结构的TiO2-Ni(OH)2双层光阳极和氧还原铂电极组成的光化学池中紫外光辐射下二氧化钛产生的氧化性能量在氢氧化镍中的储存。光阳极与铂阴极的短接,可以促进光生电子和空穴的分离,因此能够显著地改善TiO2-Ni(OH)2双层光阳极的氧化性能量储存性能。采用溶胶-凝胶法制备出了纳米结构的二氧化钛薄膜,以该薄膜为基体应用阴极电沉积法得到了纳米多孔结构的氢氧化镍膜；所制备的纳米多孔结构的TiO2-Ni(OH)2双膜电极显示了明显改进的光致氧化性能量储存性能。第六章中,采用阴极电沉积方法得到的a-Ni(OH)2膜电极作为阳极,氧还原电极作为阴极,构成Ni(OH)2-O2耦合储能体系,成功地实现了Ni(OH)2到NiOOH的转变,即氧化性能量的储存。铂电极在具有较高氧含量和较低pH值的电解液中电位较高,说明此时氧的氧化能力较强；在含有上述氧还原铂阴极的耦合储能体系中能够明显增强氢氧化镍膜电极的氧化性能量储存性能。氧化-放电循环测试结果表明,在含有由空气电极和pH=2的1.0 mol-L-1 Na2SO4溶液组成的氧还原电极的耦合储能体系中使用镍基体的氢氧化镍膜电极显示较高的循环稳定性和较好的倍率放电性能。研究还表明利用过氧化氢等其它绿色氧化剂也可实现氧化性能量在氢氧化镍中的储存。从氧化性能量储存和氢氧化镍两个角度来看,目前工作均具有重要意义。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-41
  1.1 半导体简介  12-16
    1.1.1 半导体的基本概念  12-13
    1.1.2 半导体的p-n结理论和带弯  13-14
    1.1.3 半导体的光致电荷分离  14-15
    1.1.4 半导体太阳能电池的基本工作原理  15-16
  1.2 p-型半导体氢氧化镍  16-30
    1.2.1 氢氧化镍的结构及物理化学性质  16-18
    1.2.2 Ni(OH)_2的制备方法  18-20
    1.2.3 NiOOH的制备方法  20-25
    1.2.4 氢氧化镍的应用  25-30
  1.3 n-型半导体二氧化钛  30-37
    1.3.1 TiO_2的晶型和能带结构  31-32
    1.3.2 TiO_2的制备  32-37
    1.3.3 二氧化钛的应用  37
  1.4 TiO_2-Ni(OH)_2双膜储能体系  37-38
  1.5 选题依据及主要内容  38-41
第二章 实验内容与方法  41-46
  2.1 化学试剂和实验仪器  41-42
  2.2 电极制备  42-44
    2.2.1 涂膏式镍电极制备  42-43
    2.2.2 Ni(OH)_2-TiO_2双膜电极的制备  43
    2.2.3 空气电极制备  43-44
  2.3 研究方法  44-46
    2.3.1 样品表征  44
    2.3.2 电化学测试方法  44-45
    2.3.3 光电化学测试方法  45-46
第三章 钴取代α-Ni(OH)_2的结构和电化学性能  46-53
  3.1 引言  46
  3.2 实验方法  46-47
    3.2.1 样品的制备  46
    3.2.2 样品的表征  46-47
    3.2.3 电极制备及电化学性能测试  47
  3.3 实验结果与讨论  47-52
    3.3.1 Co掺杂α-Ni(OH)_2样品的结构与表征  47-49
    3.3.2 Co掺杂α-Ni(OH)_2样品的电化学性能  49-52
  3.4 本章小结  52-53
第四章 Ni(OH)_2/TiO_2复合膜的光致储能行为  53-68
  4.1 引言  53-54
  4.2 实验方法  54-55
    4.2.1 TiO_2-Ni(OH)_2双膜电极的制备  54
    4.2.2 光电化学测试  54
    4.2.3 物理性质测试  54-55
  4.3 实验结果与讨论  55-66
    4.3.1 电解液组成对氧化性能量储存的影响  55-56
    4.3.2 电极表面形貌对氧化性能量储存的影响  56-62
    4.3.3 氧化性能量储存的可能机理  62-63
    4.3.4 光电化学行为  63-66
  4.4 本章小结  66-68
第五章 由Ni(OH)_2/TiO_2复合膜与氧还原电极耦合构成的光致氧化性能量储存体系  68-80
  5.1 引言  68
  5.2 实验方法  68-70
    5.2.1 电极的制备  69
    5.2.2 光电化学测试  69-70
    5.2.3 电化学测试  70
    5.2.4 物理表征  70
  5.3 实验结果与讨论  70-80
    5.3.1 耦合体系的光致氧化性能量储存行为  70-73
    5.3.2 不同方法制备的TiO_2膜对体系储能行为的影响  73-80
第六章 一种新颖、环境友好和简易的实现氧化性能量在氢氧化镍膜电极中储存的方法  80-95
  6.1 引言  80
  6.2 实验方法  80-83
    6.2.1 电极的制备  80-81
    6.2.2 储能装置  81-82
    6.2.3 电化学测试  82
    6.2.4 物理表征  82-83
  6.3 实验结果与讨论  83-94
    6.3.1 电沉积Ni(OH)_2膜的形貌  83
    6.3.2 阴极电解液种类对储能行为的影响  83-87
    6.3.3 不同pH值的阴极电解液对储能行为的影响  87-91
    6.3.4 Ni(OH)_2膜-氧电极体系的循环性能测试  91-94
  6.4 本章小结  94-95
第七章 总结与展望  95-97
参考文献  97-116
主要研究成果  116-117
致谢  117

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 一般性问题 > 结构
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