去離子電容器

❶ 請問超純水和去離子水是不是一回事

不是一回事。

超純水和去離子水的區別：

1、概念不同

去離子水是指除去了呈離子形式雜質後的純水。國際標准化組織ISO/TC 147規定的「去離子」定義為：「去離子水完全或不完全地去除離子物質。」

超純水（Ultrapure water）又稱UP水，是指電阻率達到18 MΩ*cm（25℃）的水。這種水中除了水分子外，幾乎沒有什麼雜質，更沒有細菌、病毒、含氯二惡英等有機物，當然也沒有人體所需的礦物質微量元素，也就是幾乎去除氧和氫以外所有原子的水。

2、制備不同

超純水：

在原子光譜、高效液相色譜、超純物質分析、痕量物質等的某些實驗中，需要用超純水，超純水的制備如下：

（1）加入少量高錳酸鉀的水源，用玻璃蒸餾裝置進行二次蒸餾，再以全石英蒸餾器進行蒸餾，收集於石英容器中，可得超純水。

（2）使用強酸型陽離子和強鹼型陰離子交換樹脂柱的混合床或串聯柱。可充分除去水中的陽、陰離子，其電阻率達10 Q·cm的水，俗稱去離子水，再用全石英蒸餾器進行蒸餾，收集可得超純水。

去離子水：

去離子水是通過離子交換樹脂除去水中的離子態雜質而得到的近於純凈的水，其生產裝置設計的合理與否直接關繫到去離子水質量的好壞及運營的經濟性。

3、用途不同

超純水的用途：

電子、電力、電鍍、照明電器、實驗室、食品、造紙、日化、建材、造漆、蓄電池、化驗、生物、制葯、石油、化工、鋼鐵、玻璃、化工工藝用水、化學葯劑、化妝品、

單晶硅、半導體晶片切割製造、半導體晶元、半導體封裝 、引線櫃架、集成電路、液晶顯示器、導電玻璃、顯像管、線路板、光通信、電腦元件 、電容器潔凈產品及各種元器件、高壓變電器的清洗等

去離子水的用途：

實驗室、化驗室用水，一般實驗室的常規試驗、配置常備溶液、清洗玻璃器皿等；電子工業生產，如顯像管玻殼、顯像管、液晶顯示器、線路板、計算機硬碟、集成電路晶元、單晶硅半導體等；電力鍋爐，鍋爐所需軟化水、除鹽；

汽車、家用電器、建材表面塗裝、電鍍、鍍膜玻璃清洗等；石油化工行業,化工反應冷卻水、化學葯劑、生產配液用水等；工業紡織印染、鋼鐵清洗用水等；食品、飲料、酒類、化妝品生產用水；海水、苦鹹水等凈化。

❷ 有關材料學的論文範文

在材料學科上，要求學生掌握堅實寬廣的基礎理論和系統深入的專門知識，了解材料科學的發展前沿。下文是我為大家搜集整理的有關材料學的論文範文的內容，歡迎大家閱讀參考!

有關材料學的論文範文篇1

論高電化學性能聚苯胺納米纖維/石墨烯復合材料的合成

石墨烯是一種二維單原子層碳原子SP2雜化形成的新型碳材料，因其非凡的導電性和導熱性、極好的機械強度、較大的比表面積等特性，引起了國內外研究者極大的關注.石墨烯已經被探索應用在電子和能源儲存器件、感測器、透明導電電極、超分子組裝以及納米復合物[8]等領域中.而rGO因易聚集或堆疊而導致電容量較低(101 F/g)[9]，這限制了其在超級電容器電極材料領域的應用.

另一方面，PANI作為典型的導電高分子之一，由於合成容易，環境穩定性好和導電性能可調等特性備受關注.具有納米結構的導電材料，由於納米效應不但能提高材料固有性能，並開創新的應用領域.PANI納米結構的合成取得了許多的成果.PANI作為超級電容器電極材料因具有高的贗電容，其電容量甚至可高達3 407 F/g[10];然而，當經過多次充放電時PANI鏈因多次膨脹和收縮而降解導致其電容損失較大.碳材料具有高的導電性能和穩定的電化學性能，為了提高碳材料的電化學電容和PANI電化學性能的穩定性，人們把納米結構的PANI與碳材料復合以期獲得電容較高且穩定的超級電容器電極材料[11].

作為新型碳材料的石墨烯和PANI的復合引起了極大的關注[12].但是用Hummers法合成的GO直接與PANI復合構建PANI/GO復合電極因導電率低而必須還原GO，化學還原劑的加入雖然還原了部分GO而提高了導電性能，但也在一定程度上鈍化了PANI [13]，另外排除還原劑又對環境造成一定程度的污染.因而開拓一條簡單且環境友好的制備PANI/rGO復合材料作為超級電容器的電極路線仍然是一個難題.

基於以上分析，首先使PANI和GO相互分散和組裝，藉助水熱反應這一綠色環境友好的還原方法制備PANI/rGO復合材料，以期獲得高性能的超級電容器電極材料.

1實驗部分

1.1原材料

苯胺(AR， 國葯集團)，經減壓蒸餾後使用;氧化石墨烯(自製);過硫酸銨(APS， AR， 湖南匯虹試劑);草酸(OX， AR， 天津市永大化學試劑);十六烷基三甲基溴化銨(CTAB， AR， 天津市光復精細化工研究所).

1.2PANIF的制備

PANIF的制備按我們先前提出的方法 [14]，制備過程如下：把250 mL去離子水加入三口燒瓶後，依次加入1.82 g CTAB，0.63 g 草酸以及0.9 mL苯胺，在12 ℃水浴上攪拌8 h;隨後，往上述溶液中一次性加入20 mL含苯胺等量的過硫酸銨水溶液，同樣條件下使反應保持7 h.所制備的樣品用大量去離子水洗滌至濾液為中性，隨後30 ℃真空乾燥24 h. 1.3GO的制備

採用Hummers法制備GO，具體過程如下：向乾燥的2 000 mL三口燒瓶(冰水浴)中加入10 g天然鱗片石墨(325目)，加入5 g硝酸鈉固體，攪拌下加入220 mL濃硫酸，10 min後邊攪拌邊加入30 g高錳酸鉀，在冰水浴下攪拌120 min，再將三口燒瓶移至35 ℃水浴中攪拌180 min，然後向瓶中滴加460 mL去離子水，同時將水浴溫度升至95 ℃，保持95 ℃攪拌60 min，再向瓶中快速滴加720 mL去離子水，10 min後加入80 mL雙氧水，過10 min後趁熱抽濾.將抽乾的濾餅轉移到燒杯中，加大約800 mL熱水及200 mL濃鹽酸，趁熱抽濾，隨後用大量去離子水洗滌直至中性.所得產品邊攪拌邊超聲12 h後5 000 r/min下離心10 min，得氧化石墨烯溶液.

1.4PANIF/rGO復合材料制備

按照一定比例將含一定量的PANIF液與一定量的6.8 mg/mL 的GO溶液混合，使混合液總體積為30 mL， GO在混合液中的最終濃度為0.5 mg/ mL，磁力攪拌10 min後，將混合液轉移到含50 mL聚四氟乙烯內襯的反應釜中進行水熱反應，在180 ℃保溫3 h;待反應釜自然冷卻至室溫後取出，用去離子水洗滌產物直至洗液無色後，於60 ℃真空乾燥24 h，待用.按照上述步驟制備的PANIF與GO的質量比分別為5，10以及15，相應命名為PAGO5，PAGO10和PAGO15，對應的PANIF質量為75 mg，150 mg和225 mg.

1.5儀器與表徵

用日本日立公司S4800場發射掃描電鏡(SEM)分析樣品的形貌;樣品經與KBr混合壓片後，用Nicolet 5700傅立葉紅外光譜儀進行紅外分析;用德國Siemens公司Xray衍射儀進行XRD分析;電化學性能測試使用上海辰華CHI660c電化學工作站.

電極制備和電化學性能測試：將活性物質(PANIF或PANIF/rGO)、乙炔黑以及PTFE按照質量比85∶10∶5混合形成乳液，將其均勻地塗在不銹鋼集流體上，在10 MPa壓力下壓片，之後烘幹得工作電極.在電化學性能測試過程中，使用飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，鉑片(Pt)作為對電極，在三電極測試體系中使用1 M H2SO4作為電解液進行電化學測試，電勢窗為-0.2～0.8V.

比電容計算依據充放電曲線，按式(1)[15]計算：

Cs=iΔtΔVm.(1)

式中：i代表電流，A;Δt代表放電時間，s;ΔV代表電勢窗，V;m代表活性物質質量，g.

2結果與討論

2.1形貌表徵

圖1為PANIF和PAGO10形貌的SEM圖.低倍的SEM(圖1(a))顯示所制備PANIF為大面積的納米纖維網路;高倍的圖1(b)清晰地顯現該3D納米纖維網路結構含許多交聯點.PANIF和PAGO10混合液經過水熱反應後，從低倍的SEM(圖1(c))可以看出，PAGO10復合物具有交聯孔狀結構;提高觀察倍數(圖1(d)和圖1(e))後可以發現樣品中rGO 與PANIF共存;而高倍的圖1(d)清晰地顯示出了rGO與PANIF緊密結合，且合成的褶皺rGO因層數較少而能觀察到其遮蓋的PANIF.從圖1可知：成功合成了大面積的PANIF以及互相均勻分散的PANIF/rGO復合材料.

2.2FTIR分析

圖2為PANIF，GO以及PAGO10 3種樣品的FTIR圖.圖2中a曲線在1 581 cm-1，1 500 cm-1，1 305 cm-1，1 144 cm-1，829 cm-1等波數處展現的尖銳峰為PANI的特徵峰，它們分別對應醌式結構中C=C雙鍵伸縮振動、苯環中C=C雙鍵伸縮振動、C-N伸縮振動峰、共軛芳環C=N伸縮振動、對位二取代苯的C-H面外彎曲振動.圖2中b曲線為GO的紅外譜圖，在3 390 cm-1， 1 700 cm-1的峰分別對應-COOH中的O-H，C=O鍵振動，1 550～1 050 cm-1范圍內的吸收峰代表COH/ COC中的C-O振動[16]，可以看出，GO中存在大量的含氧官能團.圖2中c曲線為PAGO10復合物紅外吸收譜圖，與GO，PANIF譜圖比較， 可以發現PAGO10中的GO特徵峰不太明顯而PANI的特徵峰全部出現，這個結果歸結於GO含量少以及GO經水熱反應後形成了rGO，另外也表明水熱反應對PANI品質無大的影響.

2.4電化學性能分析

圖4為樣品的CV曲線，其中圖4(a)為不同樣品在1 mV/s掃描速率下的CV圖，可以看出，4個樣品均出現明顯的氧化還原峰，這歸因於PANI摻雜/脫摻雜轉變，表明PANIF以及復合物顯示出優良的法拉第贗電容特性.圖4(b)為PAGO10在不同掃描速率下的CV曲線，由圖可知PAGO10電極的比電容隨著掃描速率減小而穩步增加，在掃描速率為1 mV/s時，PAGO10電極的比電容為521.2 F/g.

圖5為PANI，PAGO5，PAGO10和PAGO15的充放電曲線以及交流阻抗圖.圖5(a)為電流密度為1 A/g時樣品的放電曲線圖，由圖可知：4種樣品均有明顯的氧化還原平台，這與前述CV分析中的結果相吻合.根據充放電曲線，藉助式(1)，計算了4種樣品在不同電流密度下的比電容，結果如圖5(b)所示，很明顯，相同電流密度下PAGO10比電容最大，當電流密度為1 A/g時，其比電容為517 F/g，這個結果表明PAGO10的電化學性能明顯優於PANI/石墨烯微球和3D PANI/石墨烯有序納米材料(電流密度為0.5 A/g時，比電容分別為 261和495 F/g)[18-19]， 而PANIF比電容最小，僅為378 F/g;且在10 A/g電流密度下PAGO10的比電容仍保持在356 F/g 左右，這表明PAGO10電極具有優異的倍率性能.該復合材料比電容以及倍率性能得到極大提高源於rGO與PANIF兩組分間的協同效應.在充放電過程中連接在PANIF間的rGO為電子轉移提供了高導電路徑;同時，緊密連接在rGO上的PANIF有效阻止水熱還原過程中石墨烯的團聚，增加了電極/電解質接觸面積，從而提高了PANIF的利用率而使得容量增加. 為了更清晰地了解所制備材料的電子轉移特點以及離子擴散路徑，對樣品進行了交流阻抗測試，圖5(c)為4個樣品的Nyquist圖.從圖5(c)可知：在高頻區、低頻區均分別具有阻抗弧半圓、頻響直線.在高頻區，電荷轉移電阻Rct大小順序為RPAGO5

值說明rGO的加入提高了電極材料的導電性.在低頻區，直線形狀反映了樣品電化學過程均受擴散控制，並且PAGO5所展現的直線斜率最大，說明其電容行為最接近理想電容，即頻響特性最好，這也是源於rGO的加入提高了材料導電性以及復合物的獨特微觀結構.

氧化還原反應的發生，導致PANIF具有十分高的贗電容，但由於在大電流充放電過程中高分子鏈重復膨脹和收縮，導致其循環穩定性差而限制了其實際應用.為此，對ANIF和PAGO10進行循環穩定性分析.圖6顯示，PAGO10在5 A/g電流密度下經過1 000次充放電後，電容保持率為77%，而不含rGO的PANIF電極在2 A/g電流密度下充放電1 000次電容保持率僅為54.3%，這個結果表明PANIF循環穩定性較差;另外，rGO的加入形成的PANIF/rGO緊密的連接，降低了PANI鏈在充放電過程中的膨脹與收縮，使得鏈段不容易脫落或者斷裂，從而PAGO10具有出色的循環穩定性.

3結論

採用自組裝的方法，經水熱反應，制備了PANIF/rGO復合電極材料.研究發現，rGO與PANIF緊密連接;而且，當PANIF與GO質量比為10∶1時，復合材料展現了最佳的電化學性能，當電流密度為1和10 A/g時，其比電容分別為517， 356 F/g.從上可知：合成的PAGO10具有高的比電容、較好的倍率性能和穩定性能，從而有望作為超級電容器電極材料在實踐中應用.

有關材料學的論文範文篇2

淺談水泥窯用新型環保耐火材料的研製及應用

1 概述

隨著新型干法水泥生產技術在我國的迅速普及，我國水泥工業得到飛速發展，2012年，水泥總產量達21.8億噸，佔世界總產量55%左右。在20世紀六、七十年代，鎂鉻質耐火材料因具有良好的掛窯皮和抗水泥熟料的化學侵蝕性能，而被廣泛應用於新型干法水泥窯的燒成帶[1]，並取得了良好的使用效果，但由於鎂鉻磚在使用過程中磚內的Cr2O3組分與窯氣、窯料中的鹼、硫等相結合，形成有毒的Cr6+化合物[2]。再加上原燃料中所帶入的硫，鹼與硫共存時形成另一種水溶性Cr6+有毒性致癌物質：R2(Cr，S)O4。水泥窯在正常運轉中，其窯襯中鎂鉻磚內的一部分Cr6+化合物隨著窯氣和粉塵外逸，飄落在廠區及周邊環境中，造成廠區大氣的污染; 另一部分則殘留在拆下的廢磚中，廢棄的殘磚一遇到水就會造成地下水的污染;更直接的危害是在水泥窯折磚和檢修作業時，窯氣和碎磚粉塵中的Cr+6會給現場人員造成毒害，據有關專家論證，Cr6+腐蝕皮膚，使人易患上大骨病，進而致癌。因此，鎂鉻質耐火材料作為水泥窯內襯會對環境和人類造成長期污染和公害。

發達工業國家在水源、環境和衛生方面有著一系列配套的規范，其中德國對水泥廠預防“鉻公害”的規定最普遍，執行也是最嚴格的，具體內容如表1所示：

我國於1988年4月頒布國家標准GB3838-88，對地面水中Cr6+含量進行明確規定，如表2所示：

這就使得水泥企業在使用鎂鉻磚做水泥窯內襯投入的環保費用加大，特別是用過鎂鉻殘磚處理費用非常昂貴，因此，水泥窯用耐火材料無鉻化是必然的發展趨勢。

2 水泥窯燒成帶新型環保耐火材料的研製

2.1 研製思路

目前，用於水泥回轉窯燒成帶的無鉻環保耐火材料主要有鎂白雲石磚和鎂鋁尖晶石磚。鎂白雲石磚對水泥熟料具有良好的化學相容性和優良的掛窯皮性，但是抗熱震性差，抗水化性差;鎂鋁尖晶石磚具有良好的抗熱震性和抗侵蝕性，但是掛窯皮性差[3，4]。鎂磚中引入鐵鋁尖晶石製成的第二代新型環保耐火材料―新型環保耐火材料，結構韌性好，抗鹼鹽及水泥熟料侵蝕能力強，具有良好的掛窯皮性能，在燒成帶能有效延長使用壽命，是目前適合我國國情的新一代水泥窯燒成帶用無鉻耐火材料。但該產品的關鍵是鐵鋁尖晶石原料的合成、加入量、加入方式及有關工藝條件對製品性能的影響。

2.2 試驗與研究

2.2.1 鐵鋁尖晶石的合成。鐵鋁尖晶石是一種自然界少有的礦物，化學分子式為FeAl2O4，其中含58.66%A12O3和41.34%FeO。鐵鋁尖晶石為立方體結構，二價陽離子占據四面體位置，三價陽離子填充在由氧離子構成的面心立方中。其理論密度為4.39g/cm3，莫氏硬度為7.5。要形成鐵鋁尖晶石，必須保證氧化亞鐵(FeO或FeOn)是處於其穩定存在的條件下。只有在FeO能穩定存在的區域內，才能保證與Al2O3形成的化合物是FeO? Al2O3尖晶石，而在FeO穩定存在的區域以外的條件下，鐵的氧化物與Al2O3作用得到的產物很難說是FeO?Al2O3尖晶石，而可能是含有大量或主要是Fe2O3-Al2O3的固溶體[5]。FeOn- Al2O3的系相圖如圖1所示：

為了得到高質量的合成鐵鋁尖晶石，我們特聘請了歐洲知名耐材專家進行專業技術指導，經過大量試驗，掌握了燒結合成鐵鋁尖晶石的關鍵技術，為生產達到國際水平的新型環保耐火材料打下了良好的基礎。在生產中把FeO與Al2O3按一定比例混合均勻後壓製成荒坯，在保證“FeO”穩定存在的氣氛下，經高溫燒成，製得FeO? Al2O3尖晶石含量為97%以上的燒結鐵鋁尖晶石。產品衍射如圖2所示：

2.2.2 原料與製品的性能 ①原料的選擇。根據我們的生產經驗，結合水泥窯燒成帶對耐火材料的要求，我們選用優質鎂砂、合成尖晶石為原料，並加入特殊添加劑來強化製品的性能，研製生產出第二代無鉻鎂尖晶石磚―新型環保耐火材料。所用原料理化指標如表3所示。②製品的性能。將原料破碎成所需的粒度，採用四級配料，經強力混碾、高壓成型、高溫燒成。產品的顯微結構見圖3，產品理化指標與國外同類產品對比情況如表4所示。

2.2.3 鐵鋁尖晶石對製品性能的影響 ①鐵鋁尖晶石加入量對製品耐壓強度的影響。從圖4可以看出：隨著鐵鋁尖晶石增加製品的耐壓強度呈現出先升後降的趨勢，這是由於鐵鋁尖晶石與鎂砂互溶的結果，鐵鋁尖晶石的加入量在10%時，製品的強度達到最大值。②鐵鋁尖晶石加入形式對製品抗熱震性能的影響。從實驗結果表5可以看出：以顆粒形式加入鐵鋁尖晶石製品的抗熱震性比以細粉形式加入鐵鋁尖晶石製品相對較好。

2.3 產品的性能

2.3.1 結構韌性好、熱震穩定性優良。新型環保耐火材料在燒成及使用過程中Fe2+離子擴散進入周邊的氧化鎂基質中，同時部分Mg2+離子擴散進入鐵鋁尖晶石顆粒，與鐵鋁尖晶石分解殘留的氧化鋁反應生成鎂鋁尖晶石，這一活化效應使製品在燒成或使用過程中，內部形成大量的微裂紋，重要的是鐵鋁尖晶石的分解過程、Fe2+離子和Mg2+離子的相互擴散在高溫下持續進行，使得MgO-FeAl2O4耐

火材料在整個高溫使用過程中，可以形成大量的微裂紋，這些微裂紋的存在有利於緩沖熱應力、提高製品的結構柔韌性和熱震穩定性。

2.3.2 強度高。從製品顯微結構可以看出：製品內部鐵鋁尖晶石與高純鎂砂互溶，結構非常均勻緻密，晶粒發育良好，顆粒與基質間通過晶間尖晶石相連接，結合良好，明顯的提高了磚的密度和高溫強度。

2.3.3 具有良好的粘掛窯皮性能。在使用過程中，製品中的Fe2O3與Al2O3都易與水泥熟料中的CaO反應生成C2F、C4AF等低熔點礦物，該礦物具有一定的粘度，可牢固粘附在新型環保耐火材料的熱面，形成穩定的窯皮。我們把新型環保耐火材料和直接結合鎂鉻磚分別製成40mm×40mm×60mm樣塊，用90%水泥生料+5%煤粉+5%K2SO4，壓製成Φ30×10mm圓餅，把圓餅放在兩個樣塊中間，放入電爐內加熱，溫度升到1500℃，保溫3小時，冷卻後測其抗折強度，二者基本相同。由此可見，新型環保耐火材料粘掛窯皮性能優良。

2.4 產品的應用

新型環保耐火材料自2012年研製成功投放市場以來，通過河北鹿泉曲寨水泥公司、寧夏瀛海天琛水泥公司、內蒙古哈達圖水泥公司、陝西堯柏水泥集團、北方水泥集團、河南錦榮水泥公司、新疆天基水泥公司、安陽湖波水泥公司等二十多家大型水泥企業2500t/d、5000t/d、6500t/d水泥窯燒成帶應用，壽命周期均達到12個月以上，受到用戶認可。

3 結論

❸ 正負極都是電沉積物質怎麼組裝超級電容器

循環伏安法沉積石墨基PbO2電極及其超級電容器應用
發布日期：2012-04-25
二氧化鉛作為電極材料具有廣泛的工業用途,如能源轉換裝備、有機合成以及污水處理等,其中二氧化鉛作為鉛酸蓄電池陽極活性物質被大量使用。鉛酸蓄電池的比能量在30~40Wh/kg范圍,然而比功率較小(約200~300W /kg),循環壽命差(300~500次)。採用活性碳(AC)為電極材料的超級電容具有比功率高(>1 kW /kg),循環壽命長(>100 000次)等優點[1],因此將兩者結合組成復合超級電容,如PbO2/H2SO4/AC體系,成為研究熱點[2]。與工業制備鉛膏的鉛酸電池正極相比,電化學法沉積的二氧化鉛能提高陽極活性物質的利用率[3-4],且具有以下優點: (ⅰ)通過調整電化學參數可以准確地控制膜的厚度和表面形貌[5], (ⅱ)能在形狀復雜的基體形成相對均一的膜, (ⅲ)有較高的沉積率。
當前文獻報道[6-7],在PbO2電沉積過程中,有可溶性的反應中間體的存在,它們有可能是Pb(3價)或Pb(4價)的復雜含氧基團,Velichenko[8]等研究在硝酸溶液中電沉積PbO2發現, PbO2的電沉積過程受電子轉移或Pb2+擴散限制,反應機理如下:

第一步形成可被吸附的含氧基團如OH,隨後該含氧基團與Pb發生化學反應形成可溶性的反應中間體,可能含有Pb(3價),而後進一步被氧化形成PbO2。
作為復合超級電容體系的正極材料,循環伏安法沉積的石墨基PbO2具有電極厚度薄,石墨集流體在硫酸中抗腐蝕等優點,能夠與活性碳負極很好匹配。本文重點研究用循環伏安法在石墨板基底上沉積PbO2薄膜電極,並與活性碳負極組裝成混合超級電容器,並運用恆流充放電、循環壽命、交流阻抗等電化學方法來研究其電化學性能。
1·實驗部分
1.1正負電極的制備
選用石墨板作為正極PbO2沉積的基體,將厚度為1. 055 mm,面積為1×1 cm2的石墨板用去離子水清洗干凈,再在2. 5 mol·L-1NaOH中進行電化學除油(陽極電流300 mA·cm-2,時間為30min),再於1. 5 mol·L-1HNO3中浸泡10 min,去離子水洗凈,烘乾。採用三電極體系進行循環伏安電沉積石墨基PbO2薄膜電極,所有電化學操作均在德國ZAHNER-IM6型電化學工作站上進行。PbO2電極制備的實驗裝置為三電極體系(圖1),處理後的石墨板作為工作電極,選用鉑片電極作為對電極,飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極。本文所有電勢都是相對飽和甘汞電極而言,實驗操作均在(25±1)℃下進行。電鍍液的組成為0. 5 mol Pb(NO3)2+1 molHNO3,循環伏安電沉積的電勢掃描范圍(0. 4~2. 0 )V,掃描速率為20 mV/s,循環周期分別採用50個和100個。

負極活性碳電極的制備工藝如(圖2)所示。將活性碳、導電劑(乙炔黑)和添加劑進行均勻混合,添加一定量粘結劑聚四氟乙烯(PVDF),活性炭與乙炔黑、聚四氟乙烯按質量比為0. 85：0. 10：0. 05,加入適量無水乙醇攪拌均勻,進行和漿處理,塗布在鈦箔集流體上製成預成型件。然後,真空乾燥,在一定壓力下進行壓製成型,即製得一定尺寸的負極電極片。

1.2電極材料測試
為了考察電極表面PbO2顆粒的表面形貌,用日立公司4800型掃描電子顯微鏡(SEM)分析了PbO2電極表面的形態和粒徑。為了研究實驗制備的PbO2電極的材料晶型,採用日本Rigaku D/Max-ШA型X射線衍射儀對所得樣品進行XRD分析,使用Cu-Kα射線(λ=1.540 56 A)管壓40 kV,管流300MV,掃描速度8°min-1,2θ掃描范圍20~70°。
1.3超級電容器的組裝與測試
用循環伏安法沉積制備的石墨基PbO2電極作正極,活性碳電極作負極,電解液採用1. 28 g·cm-3H2SO4溶液,多孔碳纖維紙作為隔膜,組裝成混合超級電容器。並研究了其恆流充放電、循環壽命、交流阻抗等電化學特性。循環伏安(CV)測試是在德國ZAHNER ELECKTRIC公司的IM6e電化學工作站上進行的。循環壽命測試是在LAND 2000充放電測試儀上測試的。交流阻抗測試是在德國ZAHNER ELECKTRIC公司的IM6e電化學工作站上進行,在工作電極上施加一個小幅值交流信號(5mV)通過檢測所得的電流信號得到復數阻抗,分析阻抗圖譜可以得到我們需要的體系的信息。
2·結果與討論
目前應用較多的電化學沉積方法通常有恆電流法、恆電壓法、循環伏安法等[5, 9-11]。電化學方法沉積PbO2的過程中電極的表面形貌和結構主要受到傳質過程的影響。恆電流沉積可以通過調節沉積電流大小和電鍍液中活性物的濃度,減小傳質限制,進而達到控制PbO2的結構[12];而恆電壓沉積是通過調節沉積電壓大小來控制PbO2的結構[5]。在電沉積過程中,電流密度是影響電極表面電化學反應的決定性因素,因此理論上恆電流沉積能更有效地控制沉積過程和沉積速率[13],恆電流法和恆電壓法制備的PbO2電極性能進行對比,結果發現恆電流法制備的PbO2電極性能要優於恆電壓法[5]。而循環伏安法沉積主要應用於制備導電聚合物,用於合成氧化物的報道非常少,可能是因為氧化物的導電性一般較差,電沉積形成一層膜後表面電阻增大,阻止了電沉積的進一步進行[14];而PbO2具有良好的導電性,能夠持續發生電沉積反應,可用循環伏安法進行電沉積;但在循環伏安法制備過程中,由於電流和電壓都是變化的,所以過程更為復雜。
2.1PbO2電極的電沉積過程
循環伏安法沉積石墨基PbO2薄膜電極,在三電極體系下,在電鍍液中通過恆電流/恆電位儀產生循環伏安電位差,從而使鉛化物發生氧化還原變化,沉積在作為工作電極的石墨板基體上。PbO2薄膜電極的循環伏安法制備中,對工作電極來說,根據電鍍液中鉛化物發生反應的電極電勢范圍加上循環伏安電壓後,在一定電壓范圍內,對於工作電極來說,電流為負,此時石墨板基體為陰極,電鍍液中的鉛化物先驅體首先發生陰極電沉積。當電壓變化到使電流反向變正時,石墨板基體變為陽極,沉積的鉛化物先驅體被陽極氧化到較高的氧化態。當電流再次變為負時,沉積反應又發生,如此循環, PbO2便層層沉積到石墨板基體上。石墨板基底電極在0. 5 molPb(NO3)2+1 molHNO3電鍍液中,電勢掃描范圍為(0. 4~2. 0)V,掃描速率為20 mV/s,循環周期分別採用50個和100個,圖3是石墨基底電極在電鍍液中的循環伏安電沉積圖。由圖可知: PbO2的沉積和溶解過程都是很迅速的,在氧化和還原峰時有大的電流突躍,在正向掃描過程中,當電勢達到1. 7 V時,PbO2開始凝結成核,隨著電勢的增加PbO2鍍層不斷增長,直到反向掃描電勢達到1. 55 V結束。在1.5 V左右開始發生還原反應,反向掃描一直到1. 0左右才結束,呈現一個較寬的PbO2還原蜂,說明PbO2完全被還原仍然是個比較慢的過程,所以最終在石墨板基底電極上沉積的PbO2量要大於溶解的PbO2量,經過50個和100個循環周期都能形成比較好的PbO2薄膜電極。

2.2掃描電子顯微鏡(SEM)分析
採用循環伏安法在石墨基底上沉積PbO2塗層, 50個和100個循環周期所制備的PbO2電極掃描電子顯微鏡(SEM)測試照片(圖4), (a)為50個周期所制備的PbO2電極, (b)為100個周期所制備的PbO2電極。不同周期沉積的膜的形貌是不同的,由圖可知:50個循環周期時的沉積物顆粒大小不規則,形貌開裂,易剝落。隨沉積周期的增加,到l00個循環後電極表面的裂縫不再可見,表面呈凝膠狀。

由凝膠可知電極表面可能既有二氧化鉛晶體,又有二氧化鉛結構水合物,其分子式為PbO(OH)2,形成1個晶體一凝膠體系。由於

平衡反應的進行,整個體系的凝膠密度能維持在臨界值之上,從而電子導電率和質子導電率均較高。在此結構上,質子和電子放電機理為[15]:

即等量的電子和質子進入二氧化鉛(包括未水化的晶體及水化的無定形相),因此結構水合物電極的反應速率以及電化學活性由電子和質子在其中的輸送速率控制,結構水合物在一定程度上能提高電極的放電性能。
2.3X-射線衍射(XRD)分析
為了進一步確定電極表面的晶相組成,實驗還對電極進行了XRD測試,結果(圖5)所示。採用循環伏安法制備的電極衍射譜圖相對比較復雜。由圖可知: 100個循環周期所制備的電極中同時存在PbO2、石墨(graphite)和Pb(NO3)2,譜圖中有一個graphite很強的特徵衍射峰,這應該是由於石墨板(graphite substrate)作為PbO2電極的集流體, PbO2沉積其上而活性物質之間又有間隙,所以在測試時會出現集流體石墨板的衍射峰;譜圖中有幾個Pb(NO3)2的特徵衍射峰但衍射峰的強度不大,可知其在電極中含量不大,這是由於電沉積過程是發生在Pb(NO3)2的電鍍液中,而且PbO2電極表面因吸附質子帶正電荷,電荷平衡原理使得NO-3極易吸附在電極表面,大量的蒸餾水清洗電極表面也不可能全部除去表面的負電荷,因此PbO2電極的內部結構中存在少量的Pb(NO3)2。譜圖中有較多四方結構的β- PbO2的特徵衍射峰,可知其是電極的主要成分。而對比發現50個循環周期所制備的電極中的主要成分也是β- PbO2,和100個循環周期所制備的電極主要成分相差不大,說明100個循環周期所制備電極表面的二氧化鉛結構水合物凝膠並不能產生相應的特徵衍射峰。恆電流法沉積制備的電極材料是α- PbO2和β- PbO2的混合物,α- PbO2的含量隨著沉積電流的減小而減小,當電流密度減小為1 mA·cm-1時, PbO2電極中僅含有β-PbO2[12];恆電壓法沉積得到的電極也是α- PbO2和β- PbO2的混合物[5];循環伏安法沉積是一個很復雜的過程,而就電化學性能而言,α-PbO2在結構方面比β-PbO2更加緊密,在樣品中起到使顆粒之間更好的電子接觸傳遞作用,但是正是這樣的緊密結構使得α-PbO2在放電性能方面遠不如β-PbO2,β-PbO2在PbO2/AC混合超級電容器中比α-PbO2具有更好的電化學活性[12, 16],所以通過循環伏安法沉積可以得到電化學活性較好的電極材料。

2.4PbO2/活性碳混合超級電容器的性能研究
2. 4. 1恆流充放電性能研究將採用50個和100個循環周期所分別制備的PbO2薄膜電極作正極,活性碳電極作負極, 1. 28 g·cm-3H2SO4溶液作電解液組裝成混合超級電容器,在250 mA·g-1電流密度下, 0. 8~1. 86 V電位區間內進行恆流充放電性能測試,圖6為這兩種電極分別組成的電容器的充放電曲線對比。由圖可知: 50個和100個循環周期所制備的PbO2電極組成電容器的充放電性能都較好,但50個周期的PbO2電極組成電容器的放電IR降較大,這可能是因為電極表面所存在的裂縫導致其導電性不好,所以內阻較大;而100個周期的PbO2電極組成電容器的放電IR降較小,放電時間更長,說明其電極沉積物與石墨集流體的接觸緊密且導電性好。IR降是放電曲線陡然下降的部分,是由電容器歐姆內阻導致的。根據公式:

Cm為比電容值,△t為時間差,△V為電壓差,m為活性物質質量值,可以計算出活性物質的比容量。由公式計算得出100個循環周期所制備的PbO2電極組成電容器的比容量為112. 8 F·g-1, 50個循環周期所制備的PbO2電極組成電容器的比容量為80.3 F·g-1。所以, 100個循環周期條件下所制備PbO2電極的放電性能要優於50個循環周期條件,與SEM中得出結構水合物在一定程度上能提高電極的放電性能的結論相吻合。

2. 4. 2循環壽命測試圖7為用100個循環周期
所制備的PbO2電極作正極與活性碳負極組裝成混合超級電容器,在1. 28 g·cm-3H2SO4溶液中的循環壽命圖,電流密度為500 mA·g-1,充放電電壓區間為0. 8~1. 86 V,由圖可知混合電容的最高比容量可達96. 8 F·g-1,而且經過2 000多次的深循環比容量仍能達到89. 2 F·g-1,容量保持率高達92%以上且有較好的穩定性。由圖中可知電容的庫侖效率開始並不高,隨著充放電循環的進行有一個比較大的上升過程,經過大概200多次循環能達一個比較高的效率,之後上升變緩慢;這是因為正極活性物質二氧化鉛有一個被激活的過程,隨著充放電循環的進行,電解液硫酸逐漸進入到二氧化鉛中與之反應,電極深處的活性物質才被充分利用起來。由於負極活性碳電極為雙電層電容性能穩定,而混合超級電容的性能主要決定於正極二氧化鉛的電化學性能,所以庫侖效率有一個穩定上升的過程,庫侖效率總體比較高,能達85%以上[12, 17]。

2. 4. 3交流阻抗法測試圖8是用100個循環周期所制備的PbO2電極作正極與活性碳負極組裝成混合超級電容器在開路電位時的交流阻抗復平面圖,加一個5 mV的正弦激發波,頻率范圍為10-2~10+5Hz。曲線由一小半圓和一非垂直於實部的直線組成,高頻區的阻抗代表電解質/氧化物電極界面的電荷傳輸反應所引起的阻抗Rc,t其數值通常由半圓直徑表達出來,低頻區的直線則是溶液中離子在氧化物電極界面擴散所引起的Warburg阻抗[18]。由圖可知混合電容器表現的並非純電容特性,在電極表面存在氧化還原反應,電荷遷移產生法拉第准電容,並且擴散過程式控制制電荷遷移反應。從高頻曲線與實軸的交點,可以得知,該混合超級電容器的溶液電阻(Warburg)大約為0. 86Ω,小半圓的半徑大小可知反應中電荷遷移電阻(Rct)大約為2. 74Ω。

3·結論
石墨板具有優良的導電性和很強的搞腐蝕能力,在濃硫酸中是一種很好的集流體材料。本文利用循環伏安法在石墨板基底上沉積PbO2薄膜電極,分別採用50和100個循環周期制備PbO2電極,通過SEM和XRD研究了電極的表面形貌和結構特性。發現電極的表面有明顯的區別,前者表面出現裂縫,而後者表面結構緻密;沉積的PbO2顆粒主要成分均是β- PbO2。用這兩種不同循環周期所制備的PbO2電極與活性碳電極匹配組裝成混合超級電容器,恆流充放電對比曲線說明了100個循環周期所制備PbO2電極的放電性能要優於50個循環周期的,這與SEM中得出的結論相吻合。循環壽命測試表明混合電容器在500 mA·g-1電流密度下比容量可達96. 8 F·g-1, 2000多次深循環後容量保持率高達92%以上;交流阻抗顯示電容器的歐姆內阻很小,說明石墨板與活性物質PbO2接觸很緊密且導電性好。採用循環伏安法制備的石墨基PbO2電極在超級電容中具有很好的電化學性能,在超級電容器領域之中有著潛在的應用價值,如何進一步提高電容器活性物質的比容量成為繼續研究的重點。

❹ 就是水的相對介電常數高達81，但即使經過高度凈化，水仍然不能用作電容器的絕緣材料，這是為什麼

即使是完全純凈的水，也會微弱電離，