均相沉淀法制备电极Word文档下载推荐.docx
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3）通过改变尿素的用量、煅烧温度等制备NiCo2O4纳米材料；
4）材料表征，选择最优工艺制备NiCo2O4纳米材料；
5）NiCo2O4纳米材料催化甲醇氧化分析，查缺补漏；
6）记录实验结果，分析处理实验数据；
7）完成毕业论文的撰写工作。
3．基本要求
1）认真学习相关书籍，查阅中外文资料，制定出合理的实验研究方案；
2）认真做好各环节实验，做好实验记录，要求实验数据准确可靠；
3）勤于思考，应用所学的专业知识来解决实验中遇到的问题；
4）论文撰写要求严格按照材料工程系“本科毕业论文格式要求”撰写。
4.主要参考资料
[1]孟雪飞,郑雪琳,邓平等.均相沉淀法合成链状NiCo2O4纳米颗粒[J].合成化学,2013,21
（2）:
133-136.
[2]PrathapMUA,SrivastavaR.SynthesisofNiCo2O4anditsapplicationintheelectrocatalyticoxidationofmethanol[J].NanoEnergy,2013,2（5）:
1046-1053.
[3]袁珍,邓湘云,李建保.NiCo_2O_4/Ni复合电极的制备及电催化性能研究[J].化学工程师,2011,25（4）:
1-3.
5．进度安排
论文各阶段名称
起止日期
1
查阅文献资料，确定实验方案
2015年12月1日~2015年12月31日
2
改变工艺条件制备NiCo2O4纳米材料
2016年3月2日~2016年3月31日
3
优化NiCo2O4纳米材料制备工艺
2016年4月1日~2016年4月20日
4
研究NiCo2O4纳米材料催化甲醇氧化性能
2016年4月21日~2016年5月10日
5
分析实验数据，查漏补遗
2016年5月11日~2016年6月4日
6
完成毕业论文及答辩工作
2016年6月5日~2016年6月20日
审核人：
均相沉淀法制备NiCo2O4电极研究
摘要：
本课题研究了以Co（NO3）2•6H2O和NiCl2•6H2O为原料，采用均相沉淀法制备前驱体，再煅烧前驱体得到NiCo2O4电极材料。
利用X射线衍射扫描仪（XRD）等技术对NiCo2O4电极材料的微观结构和形貌进行了分析，采用循环伏安法（CV）、时间电流法测试其对甲醇催化性能。
沉淀剂尿素的加入量会影响到沉淀的质量及前驱体的形貌；
煅烧温度也会影响钴酸镍粉体的晶型结构。
结果表明，沉淀剂尿素加入量比例为1:
24时，煅烧前驱体沉淀得到的钴酸镍粉体较均匀；
当煅烧温度在350℃时，前驱体充分分解生成钴酸镍粉体，粉体性能及对甲醇催化效果也较好。
关键词：
均相沉淀，煅烧温度，甲醇催化
StudyonNiCo2O4electrodepreparedbyhomogeneousprecipitationmethod
Abstract:
Co（NO3）2•6H2OandNiCl2•6H2Ousedasrawmaterials,theprecursorwaspreparedbyhomogeneousprecipitationmethod,andthentheprecursorwascalcinedtogettheNiCo2O4electrodematerial.ThemicrostructureandmorphologyoftheNiCo2O4electrodematerialswereanalyzedbyXraydiffraction（XRD）andothertechniques.Thecatalyticperformanceofmethanolwastestedbycyclicvoltammetry（CV）andtimecurrentmethod.Theadditionofureaintheprecipitationagentcanaffectthequalityoftheprecipitationandthemorphologyoftheprecursor.Thecalcinationtemperaturealsoaffectsthecrystalstructureofthenickelcobaltpowder.Theresultsshowthatwhentheprecipitatingagentureaadditionproportionwas1:
24,cobaltnickelpowderwasuniform.Whenthecalcinationtemperatureat350℃,precursorfullydecomposedtonickelcobaltpowder.Powderperformanceandmethanolcatalyticeffectwerebetter.
Keywords:
homogeneousprecipitation,calcinationtemperature,methanolcatalyst
目录
1前言1
1.1研究背景及意义1
1.2燃料电池的概述2
1.2.1燃料电池的组成4
1.2.2燃料电池的工作原理5
1.2.3燃料电池的特点6
1.2.4燃料电池的分类6
1.3直接甲醇燃料电池8
1.3.1DMFC的基本结构、工作原理8
1.3.2甲醇燃料电池的国内外研究进展8
1.3.3DMFC发展存在的问题9
1.4研究内容和研究方法9
2实验原材料及实验方法11
2.1实验原料及实验仪器和相关的设备11
2.2制备方法、流程及过程12
2.2.1制备方法12
2.2.2制备流程13
2.2.3制备过程13
3钴酸镍样品的制备变量影响及各项性能检测15
3.1变量沉淀剂尿素加入量的影响15
3.2煅烧温度的影响15
3.3XRD检测分析16
3.4电化学性能测试分析17
4结论20
参考文献21
致谢23
1前言
众所周知的能源是人类赖以生存的物质基础，而新世纪发展的最大问题就是能源的短缺，随着煤、石油等化石能源的不断消耗，全世界的储存能源以及不足以维持人类的持续发展，这就迫使人们发展太阳能、风能、潮汐能、以及生物能等在内的清洁新型能源迫，这是实现可持续发展的必然要求，为了实现这一目标人类必须在节约自然资源的情况下开发新型能源，同时保护环境也是重要环节，既要绿色环保的能源又要实现可持续，这是人类在21世纪所要面临的最大挑战。
由于新型能源开发受到很多的外在因素影响，如开采环境以及技术，因此想要利用这些能源就要克服很多的障碍。
新世纪提出节能、环保、经济的要求，寻找新能源也要围绕这些方面。
由于纳米材料具有催化活性高、比表面积大、亲和力强等特点，其在电催化材料领域已经得到了广泛的应用[1]。
纳米材料电极与常规电极相比，具有显著的纳米尺寸效应及特殊的电催化活性。
钴酸镍作为一种独特的尖晶石型结构使得其在超级电容器、催化剂等方面备受欢迎。
1.1研究背景及意义
随着科技和工业的发展，石化等不可再生的生物能源短缺的问题日益凸显，成为全世界各个国家经济发展的主要制约因素，这迫使人们不得不把目光转向寻找新能源领域。
新世纪风能、潮汐能等清洁能源的利用得到充分的开发，而随着而来的问题是怎么把电能储存起来传送到需要的地方，当今的储能容器存在的问题是低输出功率、循环次数少等问题，有些人想到了超级电容器，但是相比于二次电池的高比容量，进入商业化的超级电容器在这一方面就逊色很多。
在实际应用中超级电容器一般作为储能装置，但是其缺点是没有持续的高比功率输出能力，这制约着使用的推广。
基于上述的原因，现今对超级电容器的应用还不能推广。
人们有把目光转到燃料电池上，甲醇燃料电池备受关注，因为甲醇的原料来源广泛，资源丰富，价格便宜，此外易携带和储存，现今用的燃料供应装置都可以使用，所以比起普通氢燃料电池，甲醇燃料电池更能吸引人们的注意力。
甲醇燃料电池比传统电池有很明显的优点：
结构简单、质量轻、体积小、比能量密度较高，维护方便，操作简单等优点[2]。
因此可以作为电动汽车、电子设备和便携式移动电话的理想电力能源。
现在，对甲醇燃料电池的广泛应用起主要限制作用的因素是在甲醇氧化过程中所使用催化电极性能，传统的电催化剂活性较低、而且容易中毒[3]，而一般的催化电极活性较低，不能高比率催化甲醇分解，而且也可能受到腐蚀，所以要通过寻找新的催化电极材料来解决这一关键问题。
电极材料的开发要求严格，减少污染、防止中毒、降低成本、提高催化效率是研究热点。
碳材料是比较普遍的电极材料，在干电池和蓄电池等方面应用广泛，而且使用了好久，随科技的发展，石墨烯等新型材料的开发和应用开创了碳材料的新局面，碳材料在电池的电极方面利用较为常见，一般我们见到的干电池的电极就是处理过的碳棒，主要因为是碳的导电性好，而且经济实用，原材料的处理要求低。
但以碳材料作为电极材料的燃料电池具有输出功率、比容量相对较小的缺点，限制了其应用范围，过渡金属氧化物中氧化钌电极的比容量较大、导电性较好，但因其昂贵的价格不适合工业生产[4]。
氧化镍因为其无污染、价格低廉以及良好的电容性能成为了更适合的超级电容器电极材料。
但氧化镍导电性较差，作为电极材料来说比功率相对较小[5]。
而进过复合而成的金属氧化物钴酸镍纳米电极材料不仅表现出优异的电学性能，而且经济实用，除了可以满足超级电容性能要求，导电性能也不错。
钴酸镍是一种有特殊的尖晶石结构的复合氧化物，也是一种具有良好电催化性能的阳极材料,在许多重要的阳极反应过程如析氧、析氯以及有机电合成方面具有广阔的应用前景[6]。
但是其尖晶石结构稳定性差，在400℃左右可能发生分解，所以传统的固相反应等方法不适合。
实验研究中采用均相沉淀法制备前驱体,然后在300℃~400℃煅烧前驱体，前驱体大概在350℃分解成钴酸镍粉体，其粒径可以达到纳米级别。
1.2燃料电池的发展历史
以煤、石油等为主的化石能源燃烧不断释放大量的二氧化碳，经过几百年的积累，特别是进过第一次工业革命，蒸汽机的使用，大量燃烧煤等燃料，大气中的二氧化碳气体的浓度急剧增加，引起了温室效应，使得全球的气候变暖，人们不得不注意这一问题，无节制的利用化石能源不仅会造成人类生存环境的破坏，而且这些不可再生能源的使用殆尽后果就是阻断下一代的发展。
所以上世纪中期，人们开始寻找其他能源，如自然能，化学能、生物能，而化学能的开发最早也最容易，如干电池，化学能可以转化成清洁的电能，这一亮点就吸引了很多科研家的关注。
我们要说的就是其中的燃料电池，虽然还没成熟的生产出来，也没有投入到实际生活中，但燃料电池技术的发展历史很久了，从十八世纪中期到新世纪已近一百七十多年了。
在有记录的报告中首次提到燃料电池的是英国科学家格罗夫，1839年这是最早的世界记录。
这篇报告中他采用铂丝做电极，氢气作为燃料，硫酸溶液作为电解质，氧气为氧化剂，进行了电解水的反应，发现产生了电流，燃料电池的原始模型就是从这儿开始的，这也是第一个模型。
格罗夫也认识到这个电极反应是在电解液、电极和反应物的互相接触的地方，因此改变接触面积的化学效应就可以提高这个反应效率[7]。
而如果燃料如氢气一样资源广泛，那燃料电池就可以替代传统的能源。
1889年蒙德和朗格尔，发明了“新型气体电池”，同时引入了“燃料电池”这一名称，并且首先发现燃料电池中的Pt电极容易被中间产物CO毒化[8]。
而且他们制造的电池结构已经很完善了。
在这基础上，1896年W.W.Jacques制作了一种用煤为燃料的化学电池，都是碳对电解质的污染问题一直无法解决，所以最后效果难以令人满意，也没有得到推广[9]。
在此之后的50年里，也有很多人一直研究，但是都没有突破性进展，这是由于内燃机和发电机的迅速发展，人们对石油的开采、利用技术有很大的提高，加上人们对电极反应原理、动力学技术方面不够成熟，以及受经济、材料等因素的制约，致使燃料电池发展缓慢。
而燃料电池被科学家另一次的广泛研究在50年以后培根型碱性燃料电池的出现，新的开发和研究为燃料电池商业化奠定了基础[10]。
自科学家第二次开发研究燃料电池以来，现代燃料电池研究进入了发展阶段，美国国家方面资助了一系列的研究项目，专门从事燃料电池的开发和研究，并成功的制成燃料电池系统服务于阿波罗登月飞船。
进入70年代后，由于人们的能源危机意识的增加，引起了众多研究者对燃料电池的重大兴趣，为此许多公司和政府对其进行了大量的研究实验。
直到90年代，燃料电池在技术上终于有了大幅度的突破，质子交换膜燃料电池的诞生，及其发展将燃料电池推上了快速发展的轨道[11]。
在27届悉尼奥运会上采用的是美国通用公司提供的液氢燃料电池，由于其燃烧产物只有水和热，故被誉为千年奥运的绿色使者[12]。
2007年在通用汽车高新科技能源动力技术展上，雪佛兰生产的燃料电池车的亮相，犹如为汽车产业一直深受的环境问题和对石油的依赖性的困扰送上了一盏明灯[13]。
随后其他的汽车生产商也看到清洁动力的发展前景，都陆续宣布开发新一代的氢燃料电池作为动力的绿色环保车。
伴随着燃料电池技术的不断发展、进步，集成的微型的DMFC电池技术不断的成熟完善，也许不久将会在手机、摄像机、笔记本电脑等方面获得应用[14]。
我国对燃料电池的研究开始较晚，在建国以后国力的提升以及航天技术发展的推动下，曾对燃料电池的研究投入了大量的人力物力，使燃料电池的研究出现了一次高潮，但是后来由于电极材料问题、动力学技术方面不够成熟，商业化成本较高等导致研究工作一度中断。
直到90年代，我国又重新对燃料电池进行研究，并且已经取得了很好的成绩。
1.2.1燃料电池的组成
燃料电池作为一种发电设备和传统电池一样，本质是将燃料本身内的化学能以电流的形式释放出来，而不是直接的燃烧发电，所以相比火力发电优点就是绿色环保，燃料的电池在化学能转化为电能过程中比直接燃烧过程释放的能量利用率更高，这是因为热能利用率得到提高，如传统的内燃机在能源转换过程中要遵循卡诺循环规则，有一部分热能就消耗不能利用到。
燃料电池外表上有正负极和电解质，看起来和蓄电池差不多，但是其实质不是储能，而是一个发电装置。
组成原件有：
电极、电解质隔膜、集电器等[16]；
（1）电极：
是燃料电池最关键的部位，在电极上发生着氧化以及还原化学反应，其性能决定着反应的效率和反应程度，而影响电极性能的因素有其本身结构、制备方法以及材料；
在电极的选取上考虑到大部分的燃料和氧化剂是气体，所以多孔的电极较为常见，多孔结构有利于气体的附着和分散，增大反应的接触面积有利于反应效率提高；
（2）电解质隔膜：
顾名思义就是起到阻隔的作用，主要是把氧化剂和还原剂分隔开来，然而却不能阻碍离子的通过，这就要求隔膜有选择性的通透性，此外还要求有一定的强度和韧性，一般是越薄越好；
对于材质的选取上有两大方向：
有机和无机；
无机材料如石棉薄膜、碳化硅膜等，经过处理就可以使用，这类优点就是耐腐蚀性较好；
有机材料多为高分子材料，如全氟磺酸树脂，这类材料特点是易加工、原料广泛。
（3）集电器：
顾名思义作用就是收集电流，此外起到分割燃料电池内部结构，使布局及气动性良好，集电器的性能差别区分与其材料以及加工的工艺。
1.2.2燃料电池的工作原理
燃料电池的通俗了解就是由阳极、阴极和电解质组成，其能量转换原理是：
燃料在阳极部位受到电极或者催化剂的作用发生了氧化反应，如化学反应一样，阳极失去电子，产生的质子在电解质的传输下到达阴极，阴极上主要发生还原反应，而电子从阳极通过外部电路流到阴极，这样内外形成了一个完整的回型电路，这个过程中物料和电荷都是守恒的，而在电子流动过程中产生了电流，这个电流就可以被使用[17]。
燃以甲醇燃料电池为例：
燃料被连续不断地输入到电池的阳极，在电催化剂的作用下，发生氧化反应，一个CH3OH生成2个质子，同时释放出了2个自由电子。
其阳极反应式为：
CH3OH→CH2O-+2+2e-
质子通过电解质到达阴极区，电子有外电路流到阴极，流动过程就形成了电流。
在阴极催化剂的作用下，通入的氧与氢离子以及电子发生反应生成水[18]。
其阴极反应式为：
1/2O2+2H+→H2O
总的化学反应式为：
CH3OH
+3/2O2=CO2+2H2O
图1.1燃料电池的工作原理
Fig1.1schematicdiagramofworkingprincipleoffluecell
如图1.1是氢氧燃料电池的工作图，燃料从左侧通入到反应容器中，氧气是从左侧通入，氢气在阴极板上变成氢离子与阳极上的氧离子结合生成了水，这个化学反应过程中会产生电子，电子在回路中移动就是电流，这就是燃料电池将化学能转化电能的大致过程。
直接甲醇燃料电池与常规电池相比，独特之处在于只要保持连续的甲醇燃料和氧化剂供给，氧化还原过程就会一直持续，电子就用一直在流动过程中产生电流，燃料电池工作过程中要不断地排出反应产物。
1.2.3燃料电池的特点
燃料电池是根据电化学原理使燃料中的化学能变成电能的装置[19]。
作为一种新型的发电方式，与传统的发电方式相比，具有以下优点：
（1）能量转换效率高
燃料电池的发电效率可以达到60%～80%[20]，这是因为其原理是化学能直接转化成电能，比起燃烧发电，少了一个热能到电能的过程，所以提高了能量的利用率。
（2）环保
燃料电池对环境没有危害，其反应产物主要是水，这是因为其反应物是碳水化合物，产物多为二氧化碳和水。
（3）使用寿命长
燃料电池比传统电池的使用时间长，只要不断提供燃料其能量就不会耗尽，也就不需要给电池充电，这就使得燃料电池在小型可移动电源领域有广阔的应用空间[21]。
（4）操作方便、机动灵活
燃料电池的安装方便、操作简单、辅助设备少，而且可以根据具体的需要，组装成特定的发电装置。
（5）可靠性高
由于燃料电池内部运转只需很少零件，故不会因零件的损坏而导致重大事故。
因此，可以将其用作不间断电源和应急电源来使用。
1.2.4燃料电池的分类
燃料电池按电介质类型来进行分类，可以分为碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）[21]。
（1）碱性燃料电池
自1839年世界上第一个燃料电池模型发明以来，碱性燃料电池率先取得实际应用；
通常，碱性燃料电池名字来由就是因为其电解质是一个碱性环境，工作温度适应性强，适用普通的工作环境，但是高温下考虑安全问题，而且碱性燃料电池可以不使用铂等贵金属为催化剂，采用镍、银等较便宜的金属作催化剂便可获得较高的电流密度，从而降低了燃料电池的成本[22，但它要用氢气为燃料，纯氧为氧化剂；
电极反应式]如下：
阳极2H2+4OH-→4H2O+4e-
阴极O2+2H2O+4e-→4OH-
总反应式2H2+O2→2H2O
（2）质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池是在液态电解液燃料电池的基础上发展而来的，很好的避免了液态电解液的密封利用等难题；
它采用固体聚合物全氟磺酸膜为电解质，于是使得在阳极产生的质子能够顺利通过交换膜到达阴极，但质子交换膜只有在润湿的情况下才能有效的传导质子[23]。
通常质子交换膜燃料电池采用酸性电解液，工作温度不亦较高，一般在80℃左右，这就决定它的催化剂必须具有较高的活性，所以，它一般采用Pt基作为催化剂。
另外Pt基作为催化剂具有独特的优点，如较高的功率密度、绿色环保、运行稳定、使用时间长等。
（3）固体氧化物燃料电池（SOFC）
固体氧化物燃料电池是继质子交换膜燃料电池之后发展而来，是一种全固态化学发电装置。
其在中高温条件下直接将储存的燃料和氧化剂转化成电能，它的优点就是提高了燃料的化学能并且对环境友好[24]；
固体氧化物燃料电池是以固态致密无孔的复合氧化物为电解质，一般在800~1000℃下都可以正常工作。
SOFC的结构一般全为固体，它与液态燃料电池相比，不会存在电池材料被腐蚀和电解质挥发等问题，因此，它的实用寿命较长，电池连续工作水平较长。
（4）直接甲醇燃料电池（DMFC）
直接甲醇燃料电池（DirectMethanolFuelCell，DMFC）是从质子交换膜燃料电池发展而来的，它直接使用甲醇而勿需预先重整，加上甲醇来源丰富，价格低廉，易储存和运输，使得直接甲醇燃料电池迅速受到各界的关注，现己发展成为一种独立的燃料电池系统[27]。
与质子交换膜燃料电池（PEMFC）相比，直接甲醇燃料电池（DMFC）具备低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等独特优势[25]，这使得它具有很大的实用价值，可能在不久将会用于商业化生产中，特别是便携式电子产品中。
1.3直接甲醇燃料电池
1.3.1DMFC的基本结构、工作原理
直接甲醇燃料电池（DMFC）是采用甲醇溶液作为燃料，氧或空气作为氧化剂的一种新型燃料电池[26]。
它主要包括阳极、阴极和电解质膜三部分。
DMFC工作时，在阳极上甲醇在催化剂的作用下发生氧化反应生成CO2、电子和质子，质子通过电解质膜到了阴极，而电子由外部电路到达阴极过程中产生了电流。
电极反应式为：
阳极反应CH3OH+H2O→CO2+6H+6e-
阴极反应3/2O2+6H+6e-→3H2O
总反应CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
1.3.2甲醇燃料电池的国内外研究进展
自从上世纪60年代初DMFC问世以来，因甲醇资源丰富，能量转化效率高，安全可靠、易启动，噪音少、便于操作，结构简单，故迅速成为国内外能源领域的研究热点[30]。
DMFC发展过程中，其电解质经历了碱性溶液、酸性溶液，最后发展为固体电解质膜，不断地强化电池的性能，使研究进入了飞速发展阶段[27]。
2002年Casio公司宣布开发新型燃料电池可应用于笔记本电脑、数码相机等小型设备。
在2003年日本东芝研究出一种微型DMFC，其体积只有140cm3、重130g，并且它主要面向手机和PDA等产品，其平均功率达到1W，发电时间可持续20h左右[28]。
我国DMFC的发展起步较晚，始于上个世纪90年代，但是紧跟世界前沿技术水平，其中取得较为突出研究成果的是中科院大连化学物理研究所，他们致力于移动电源的研制，对DMFC的制备工艺、电池结构和电池组装技术等方面开展了广泛的研究[29]，并且成功开发出百瓦级别的电池堆样机，而且成功应用于无人飞机上。
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