泡沫镍原位合成层状双氢氧化物及其电化学性能的研究开题报告

1. 研究目的与意义

当今世界，化石燃料的大量消耗为经济发展提供了充足的动力，但同时也带来了许多环境污染问题，如水污染和空气污染。环境污染和能源短缺问题引起了各行各业的广泛关注，对环境友好且可再生的清洁能源是首选，然而使用清洁能源急需新型、高效的储能设备^[1]。与传统储能设备相比超级电容器具有更高的比容量、更快的充电和放电时间、更长的寿命周期和更好的热稳定性^[2]。近年来，由于可穿戴便携式电子设备、混合动力电动汽车、智能电网等新兴技术的快速发展，使得超级电容器的研发更为迫切需求。

超级电容器的研发中，电极材料的设计合成是关键。层状双金属氢氧化物（layered double hydroxide,ldh）用作超级电容器的电极材料具有良好的发展前景。ldh俗称水滑石，其结构通式为：m2- 1-xm3 x(oh)₂a^n-·mh₂o；m² 和m³ 分别代表二价(如 ni² ，co² ，mn² ，cu² 等)和三价(如 al³ ，fe³ ，cr³ 等)金属阳离子，a^n-代表层间阴离子(如co2- 3，no^3-，cl^-等)，层间阴离子用于平衡ldh主体层板的正电荷。简单来说，ldhs的结构是由带正电的层板和与之能够维持电荷平衡的层间阴离子构成。ldhs层板的金属阳离子、电荷密度以及层板之间的距离具有极强的可调控性^[3]。ldhs的金属组成多种多样( 如 nico、 comn、nimn、nife、coal、nial 等)。

ldhs有多种合成方法，合成方法也相对简单，如共沉淀法、水热/溶剂热法、离子交换法、溶胶-凝胶法、焙烧复原法等^[4]。制备ldhs最常用的方法是共沉淀法，该方法条件温和、易操作、便于控制反应过程，制备的ldhs结晶度高、分散性好^[5，6]。张宁等^[7]采用共沉淀法制备了钴锰层状双金属氢氧化物(comn-ldh)，以硫酸锰、硫酸钴为锰源和钴源，将不同比例的钴锰混合液与氢氧化钠溶液置于恒压漏斗中搅拌滴入烧杯中，最后在水热釜中陈化得到产物。经过电化学性能测试并分析，钴锰摩尔比为2:1时，comn-ldh的比电容最大。许等^[8]以硝酸镍和硝酸铁为前驱体，利用水热法制备镍铁层状双金属氢氧化物（nife-ldh），当镍铁比为2:1时，样品结晶性好，而且具有良好的吸附性能，可用作吸附材料。xie等^[9]以六水合硝酸钴和六水合硝酸镍为钴源和镍源，采用化学共沉淀法制备了钴镍层状双金属氢氧化物（coni-ldh）粉末，将钴源和镍源溶于蒸馏水中，并加入聚乙烯吡咯烷酮，用氨水调节ph值，经陈化、洗涤、干燥一系列实验步骤后获得之后产物，再用制备好的活性炭粉末作负极，coni-ldh为正极，koh溶液为电解液构成coni-ldh/ac非对称超级电容器，经测试比较，该超级电容器在功率密度为102.3w·kg^-1，其能量密度高达46.3wh·kg^-1。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容：

1、制备go。

2、以co(no₃)₂·6h₂o和ni(no₃)·6h₂o为前驱体，泡沫镍为基板，去离子水作溶剂，采用水热共沉积法，在泡沫镍表面原位合成泡沫镍coni-ldh。

3. 研究的方法与步骤

（一）制备go

1、称取1.0 g 石墨粉和1.0 g nano₃加入到250 ml装有33 ml浓h₂so₄的烧杯中，放置于0℃冰浴中，磁力搅拌15min。

2、将6.0 g kmno₄经15min缓慢加入搅拌的烧杯内。加完后，将水浴温度升至35℃，并恒温搅拌1.5 h，形成粘膏状，再缓慢加入40 ml蒸馏水。加完蒸馏水后升温，并且将温度控制在100℃内，并搅拌35 min后加100 ml 蒸馏水。

4. 参考文献

[1] 卢黎明.镍钴层状双金属氢氧化物材料的制备及超级电容器性能研究[d]. 河北工业大学，2017.

[2] tang, yanqun, shen, haoming, cheng, jinqian, liang, zibin,et al.fabrication of oxygen-vacancy abundant nimn-layered double hydroxidesfor ultrahigh capacity supercapacitors[j]．advanced functional materials,2020,30(11):1908223.1-1908223.9

[3]张胜寒,陈玉强,姜亚青, et al.层状双金属氢氧化物形成机理的研究现状[j].化工进展,2018,37(1):128-139.

5. 计划与进度安排

1、（第一周）：接受任务，查阅相关文献，了解课题背景，初拟开题报告。

2、（第二周）：完成开题报告、完成英文文献翻译、为实验准备所需试剂。

3、（第三周~第十三周）：开始进行毕业论文实验，按照开题报告拟定的方法和步骤，采用氧化石墨烯（go）、六水硝酸钴（co(no₃)₂·6h₂o）、六水硝酸镍（ni(no₃)·6h₂o）为前驱体，去离子水作溶剂，制备不同形貌的泡沫镍 /钴镍层状双氢氧化物/石墨烯(泡沫镍/ coni-ldh/rgo)复合材料。研究不同合成条件对复合物形貌以及粒径的影响。再用制备的泡沫镍/coni-ldh/石墨烯复合材料构建三电极体系，测试样品的循环伏安（cv）曲线、交流阻抗（eis）曲线以及循环充放电（gcd）曲线，分析其电化学性能。并结合xrd、sem、tem、ft-ir对所合成材料的结构和组成进行表征。