創新性綜合化學實驗的設計—自支撐三維電極的制備及電容性能研究

王麗麗 曲玉寧 安會琴 余建國 賀曉凌 嚴 峰

（天津工業大學 化學與化工學院，天津 300387）

碳材料通常應用于雙電層電容器的電極材料，其循環壽命長，導電性好，但比電容和能量密度相對較低。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，但其循環穩定性較差，因此，本實驗的設計思路是結合二者的優點，制備碳布為支撐體、金屬氫氧化物原位生長的三維電極材料并進行電容性能研究。通過實驗的開展鍛煉學生動手實踐、分析問題、解決問題以及數據處理能力。

1 實驗部分

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，再在管式爐中氮氣保護下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，稱取相應的不同質量的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后將其轉移至高壓反應釜，100℃下反應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。本實驗中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性能測試

實驗所得碳布為支撐體的NiCo LDH/C三維電極材料為工作電極，對電極為Pt片，參比電極為Hg/HgO，組裝成三電極測試系統進行電容性能測試。

2 結果與討論

將測得的數據采用origin作圖，鍛煉學生利用軟件作圖及結果分析能力。

圖1 不同Ni2+和Co2+初始濃度下制備電極的循環伏安曲線

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的區間出現一對氧化還原峰，表明在電極材料主要通過法拉第氧化還原反應儲存電能。隨著Ni2+和Co2+初始濃度的增加，循環伏安曲線的面積呈現先增大后減小的趨勢，電化學性能出現明顯的差異，在相同的掃描速率下，Ni-4-Co-8電極的面積最大，表明當加入反應物的量分別為Ni2+=4mmol，Co2+=8mmol時所制備的NiCo LDH/C電極材料可以儲存更多的電荷。Ni-4-Co-8電極的在不同掃速下的循環伏安測試如圖2所示，結果表明氧化峰與還原峰隨著掃描速率的增加分別朝兩側方向移動，其原因是電極內部發生了氧化還原反應，當掃描速率加快，擴散阻力增加，使得氧化峰和還原峰分別向兩側方向移動。

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比圖

為比較三個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時進行CP測試，結果如圖3所示，曲線中存在明顯的滯留平臺，進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果相一致。根據公式計算出電極材料Ni-3-Co-6、Ni-4-Co-8、Ni-5-Co-10的面積比電容分別達到1.77、2.78、1.58F/cm2，其中Ni-4-Co-8電極的比電容最大，當鎳鈷離子濃度較小或較大時，導致碳布上NiCo LDH生長不完全，不完整的結構使反應中的電化學活性位點減少，影響離子的擴散和電子的傳輸。因此，當反應物在Ni2+=4 mmol，Co2+=8mmol時為合成鎳鈷雙氫氧化物的最佳生長條件，此時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比圖，在電流密度高達100 mA/cm2時，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 結論

本實驗以碳布為支撐體，采用水熱法在其表面原位生長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點相結合，使兩者發揮協同作用，制備出碳基金屬氫氧化物復合電極材料并對其進行電容性能研究。本文通過實驗方案的設計、實驗過程中動手能力的鍛煉、實驗結果分析和討論等環節逐漸培養學生分析問題、解決問題、自主思考等能力，對于學生創新、綜合能力的培養具有重要作用。

4 結束語

通過此創新性綜合實驗的設計及完成充分鍛煉了學生動手實踐能力、分析、總結問題能力，同時學習了origin繪圖軟件的使用方法，對學生綜合能力的提高具有重要意義。