王耀先，趙曉軍，賀國旭，王 香

(平頂山學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467000)

納米Ni(OH)2的制備及電化學(xué)性質(zhì)測試的綜合性實驗設(shè)計

王耀先，趙曉軍，賀國旭，王 香

(平頂山學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467000)

該文采用均相沉淀法制備了Ni(OH)2納米顆粒，運用X射線衍射技術(shù)和場發(fā)射掃描電鏡對其結(jié)構(gòu)和形貌進行表征，將其制作成電極，利用循環(huán)伏安和恒電流充放電技術(shù)對其電化學(xué)性質(zhì)進行了研究。實踐表明，因該實驗涵蓋的知識面廣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和綜合運用知識進行科學(xué)研究的能力，可以作為材料科學(xué)專業(yè)的綜合性實驗項目。

氫氧化鎳；電化學(xué)性質(zhì)；均相沉淀法；綜合性實驗

近年來，隨著本科教學(xué)評估工作的推進，各高校在實驗室建設(shè)方面投入了大量的財力，實驗室的條件得到了根本改善，同時，實驗教學(xué)作為高校教學(xué)體系中的重要組成部分，它在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力方面的作用也日益受到重視[1-3]。平頂山學(xué)院化學(xué)環(huán)境工程學(xué)院自2012年8月搬到新校區(qū)以來，教學(xué)實驗室的條件大為改善，并陸續(xù)購置了掃描電鏡、X射線衍射儀、核磁共振波譜儀等多臺大型精密儀器，組建了分析測試中心，但在化學(xué)實驗教學(xué)中，實驗項目還是以驗證性實驗較多，設(shè)計性實驗和綜合性實驗較少，并且由于受自身科研實力的限制，實驗室和一些大型儀器設(shè)備的利用率也不高。自2014年學(xué)校提出轉(zhuǎn)型發(fā)展以來，化學(xué)環(huán)境工程院深化實驗教學(xué)改革，將教師科研與實驗教學(xué)相結(jié)合，實施開設(shè)化學(xué)綜合性實驗教學(xué)項目，以此培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為他們今后走上工作崗位從事獨立的相關(guān)工作打下堅實的基礎(chǔ)。

Ni(OH)2是一種常見的過渡金屬氫氧化物，常用于MH-Ni電池、電化學(xué)電容器的電極材料。按照傳統(tǒng)的晶體學(xué)理論，Ni(OH)2有α、β兩種晶型，充電后生成NiOOH，Ni(OH)2作為電極材料的充放電過程正是通過Ni在這兩種物質(zhì)之間氧化態(tài)的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。納米Ni(OH)2作為電極材料具有比表面大、質(zhì)子擴散快、擴散路徑短及電化學(xué)活性大等諸多優(yōu)點[4-5]。納米Ni(OH)2的合成方法主要有均相沉淀法[6]、水熱法[7]、低溫固相法[8]和模板法[9]等，合成得到的形貌從一維的線狀、二維的薄膜和納米片到三維的花瓣狀都有報道[10-12]，其作為電極材料的電化學(xué)性能也有較為詳盡的研究。筆者利用已有研究成果設(shè)計了納米Ni(OH)2從制備到電化學(xué)性能研究的一個綜合性實驗，使學(xué)生初步了解材料制備的方法和研究的技術(shù)手段，提高學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)和綜合運用知識的能力。

1 實驗

1.1 實驗試劑

試劑包含Ni(NO3)2·6H2O、KOH、聚乙二醇、氨水、去離子水、導(dǎo)電石墨和泡沫鎳，其中泡沫鎳需裁切成1 cm×1.5 cm大小。

1.2 納米Ni(OH)2的制備

1.3 電極的制備

先把制備的納米Ni(OH)2、導(dǎo)電石墨、乙炔黑和聚四氟乙烯按80∶10∶5∶5的質(zhì)量比充分研磨混合，然后加入少量無水乙醇制成膏狀涂抹于泡沫鎳集流體上，干燥后壓制成片作為測試電極。

1.4 樣品表征與電化學(xué)性能測試

材料的物相分析及形貌分析分別采用Philips X′Pert Software型粉末X射線衍射儀(Cu-Kα)及日本產(chǎn)JSM-6701F場發(fā)射掃描電鏡。

電化學(xué)測試使用的是CH660b電化學(xué)工作站，在室溫下采用三電極測試系統(tǒng)，參比電極是Hg/HgO電極，鉑片電極作為對電極，電解液為6 mol/L KOH溶液。分別采用循環(huán)伏安和恒電流充放電技術(shù)對電極的電化學(xué)性能進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米Ni(OH)2的結(jié)構(gòu)與形貌表征

X射線衍射測試技術(shù)是材料分析研究的常用手段，如圖1所示為制備的Ni(OH)2樣品的X射線衍射圖譜，從圖中可以看到，在2θ值分別為15.5°，33.5°，38.3°，51.2°，59.5° 和 62.2°處共出現(xiàn)了6個衍射峰，分別對應(yīng)于(001)、(100)、(101)、(102)、(110)和(111)晶面，這與Ni(OH)2的標準卡(J CPDS NO.142117)吻合，可以確定所制備的樣品的結(jié)構(gòu)為β-Ni(OH)2。另外，在(001)、(101)、(102)和(111)晶面處的衍射峰寬化，表明所制備的樣品顆粒較小，同時從半峰寬的特點也說明了采用這種方法所制備的晶體具有較多的缺陷。

圖1 納米Ni(OH)2的XRD譜圖

圖2 納米Ni(OH)2的FESEM圖

如圖2所示為制備的納米Ni(OH)2的FESEM圖，可以看出樣品顆粒呈微球狀，直徑約在10～20 nm范圍，顆粒分散較為均勻，局部產(chǎn)生團聚，表明制備的納米顆粒具有較高的比表面積。顆粒均勻的分散度和較高的比表面積，增加了材料和電解液的接觸面積，有利于反應(yīng)過程中離子的插入和脫出，提高了材料的電化學(xué)活性，保證電化學(xué)反應(yīng)具有較高的反應(yīng)速率。

圖3 納米Ni(OH)2的循環(huán)伏安曲線(掃描速率：a—5 mV/s；b—10 mV/s；c—15 mV/s)

循環(huán)伏安法是一種常用的電化學(xué)測試方法，可用于電極反應(yīng)的性質(zhì)、機理和電極過程動力學(xué)參數(shù)的研究。如圖3所示為制備的納米Ni(OH)2電極在不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線。從圖中可以看出，每條循環(huán)伏安曲線都有一對較強的氧化還原峰，且氧化峰與還原峰基本呈中心對稱，表明該電極具有較好的可逆性，其對應(yīng)的法拉第反應(yīng)是Ni(OH)2/NiOOH之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。

隨著掃描速率增大，氧化峰與還原峰的峰位差增大，峰電流增強，峰電流的強度與掃描速率的二分之一次方呈近似線性關(guān)系，表明該電極表面發(fā)生的反應(yīng)是一個受擴散控制的氧化還原反應(yīng)。

圖4 納米Ni(OH)2的充放電曲線

對材料的電化學(xué)性能進行研究的另一項常用技術(shù)是恒電流充放電測試技術(shù)，它是在恒電流條件下對被測試電極進行充放電操作，記錄其電位隨時間變化規(guī)律，進而研究電極的充放電性能，計算其實際的比容量的一種測試技術(shù)。如圖4所示是Ni(OH)2電極在不同電流密度下的充放電曲線。從圖4中可以看出，充放電的電流密度增加一倍，同一電極對應(yīng)的充放電時間幾乎減少一倍，這表明Ni(OH)2電極材料在電解質(zhì)溶液中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是一個準可逆的反應(yīng)過程，這也印證了循環(huán)伏安測試的結(jié)果。

單個電極比電容可通過充放電曲線，根據(jù)以下公式計算得到：

式中，Cm為比電容，Q為電量，ΔU為放電電壓范圍，Δt為放電時間，I為充放電電流，Δm為電極材料用量。經(jīng)過計算，在電流密度為5 mA時，比容量為833 F/g；當電流密度增大到7 mA、10 mA時，比容量分別為812 F/g、799 F/g，表明電流隨著電流密度增加，比容量略有下降，說明樣品具有較高的倍率容量性質(zhì)。

3 結(jié)束語

利用已有的科研成果設(shè)計了開放型的綜合實驗，實驗涉及了制備、形貌與結(jié)構(gòu)表征和電化學(xué)性質(zhì)測試幾個方面的內(nèi)容，使學(xué)生初步了解材料科學(xué)研究的方法和技術(shù)手段，特別是通過電化學(xué)性質(zhì)的測試，增加了學(xué)生對新能源材料開發(fā)的感性認識。

本實驗的設(shè)計合理，有一定的創(chuàng)新性，實驗在運行方式上采用開放式教學(xué)，學(xué)生根據(jù)本實驗內(nèi)容預(yù)習(xí)查閱文獻、設(shè)計方案，在幫助學(xué)生鞏固基礎(chǔ)知識的同時，又培養(yǎng)了學(xué)生進行科學(xué)研究的能力。

在儀器使用上涉及了大型精密儀器，既提高了平頂山學(xué)院大型精密儀器的使用率，又促進了大型精密儀器的管理，將教學(xué)與科研有機結(jié)合，達到了相互促進、共同提高的效果。

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ComprehensiveExperimentalDesignBasedonSynthesisandElectrochemicalPropertiesofNano-Ni(OH)2

WANG Yaoxian，ZHAO Xiaojun，HE Guoxu，WANG Xiang

(Department of Chemistry and Environmental Engineering，Pingdingshan University，Pingdingshan 467000，China)

Ni(OH)2nanoparticles were prepared by homogeneous precipitation method.The morphology and structure were characterized by X-ray diffraction(XRD)and field emission scanning electron microscopy(FESEM)respectively.Further investigation on the electrochemical performance of Ni(OH)2nanoparticles which used as the electrode materials was studied by cyclic voltammetry and constant current charge and discharge technology.The designing experiment includes a lot of knowledge and it is beneficial to develop students scientific literacy and comprehensive use of knowledge to carry out scientific research.Thus it can be applied as a comprehensive experimental of project in materials science.

Ni(OH)2；electrochemical properties；homogeneous precipitation method；comprehensive experiment

2016-12-16；修改日期:2017-01-20

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(14B150050)。

王耀先(1973-)，男，碩士，實驗師，主要從事新能源材料方面的研究。

O646

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.010