A. 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。
B. 電鍍使用的恆電流沉積是電化學工作站的哪個功能
galvanostatic找到這個位置，點擊進入窗口，設置所需電流和沉積時間
C. 如何使用電化學工作站恆流的方法做電沉積實驗，求助
用電化學工作站代替恆電位:設置-實驗技術-電流時間曲線-初始電位設為你要的恆電位值，采樣間隔設1秒，實驗時間設需要載入恆電位的時間，靜置時間設0，實驗時尺讀數設1，靈敏度一般設為10-3。然後確定，開始即可。
D. 電化學沉積有哪幾種方法
首先，循環伏安法不是電化學沉積方法，而是一種電化學測量方法，通過控制電極體系以一定的掃速循環而得到電流-電壓的坐標系曲線，從而觀察電化學體系的可逆性或者反應特性。電化學沉積即電鍍可以按鍍法分為電鍍單金屬、電鍍合金還有特種電鍍技術，你所說的二氧化錳本身作為電化學體系中的惰性顆粒，可以通過復合電鍍方法獲得，或者讓其前軀體在配合物體系中通過電鍍獲得二氧化錳鍍層。
E. 電化學沉積方法的原理以及優缺點是什麼
電化學沉積法：在外加電源下，通過在電解池陽極上的氧化反應或陰極上的離子還原反應和電結晶在固體表面生成沉積層的過程。電沉積方法可分為陽極電沉積和陰極電沉積。陰極電沉積方式相對於陽極電沉積方式來說，膜層厚度容易控制，因此應用更加廣泛。
F. 運用計時電位法進行恆電流電化學沉積，如何設置計時電位法的參數
主要就是設置極化電流值和時間。
G. 如何用三電極體系做電沉積實驗採用CHI600電化學工作站，計時電流法應該是恆電位法吧參數怎麼設置的啊
選i-t曲線設定恆電位
H. 什麼是電化學沉積法
利用點荷正負吸引，使其帶電，然後再用反點荷去沉澱
I. 如何在電化學工作站上設置參數使其是恆電流
計時電位法是一種電化學方法。對電化學體系施加單階或雙階形式的恆電流i，電解過程中測量工作電極的電位隨時間變化的曲線，即E~t曲線。該法使用固定面積的工作電極和參比電極，電解在含有過量的支持電解質的靜止溶液中進行，擴散為離子傳質運動的唯一形式。該法主要用於研究電極過程動力學，測定電活性物質的擴散系數，也可用於成分分析。
陽極氧化的話,cathdic current 設0就好了；anodic current 設置你要給的電流；high e limit 要看情況，最大好象是10，可以這么設，回頭它自己會調整解析度。low e limit 設置0就可以了。cathdictime 設置0.005，anodic time 設置你要進行的時間。initial polarity 選擇anodic。date storage 設置0.01，或者0.1都行。下面那儀行number 設1就好了。
J. 電化學工作站可以做電沉積嗎怎麼設置參數啊
當然可以，恆電流或者計時電壓，我們用的PINE公司WaveDriver100工作站就很容易做這個電沉積。