水热法制备Ni(OH)2/C电极材料及其电化学性能研究

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镍基电极由于其自身具有较高的理论比容量而广泛应用于碱性电池、超级电容器、电催化以及电化学分析等领域。应用的根本是基于在碱性溶液中电极表面发生Ni(OH)2/NiOOH氧化还原反应过程,而这一反应过程严重受到Ni(OH)2导电性差的制约,使其应用受到限制。科学家们通过在传统的镍基电极上负载碳纳米管、有序介孔碳材料、石墨烯等导电性好的碳材料,来提高电极电解质离子的传质及电荷的传递速率。本文提出采用价格便宜,但是同样具有好的电导率及高比表面积的导电碳(BP1000)代替石墨烯等价格高昂的碳材料,用于构建类似于石墨烯特有的高效电子传输通道,改善电解质离子的传质及电荷的传递过程,从而提高Ni(OH)2/C电极材料的电化学性能。本论文首先对水热合成Ni(OH)2/C电极材料的影响因素进行了研究。先对碳粉进行氧化处理,再在温和的水热条件下制备Ni(OH)2/C混合电极材料,并对材料进行XRD、SEM等理化表征。结果表明控制水热反应条件,Ni(OH)2均匀的负载在碳粉上,加快Ni(OH)2/C电极材料电解质离子的传质及电荷的传递过程。在此基础上,对Ni(OH)2/C电极材料的超级电容器性能进行了研究。循环伏安测试结果表明Ni(OH)2/C电极上的氧化还原反应速率受质子扩散控制;将水热合成得到的Ni(OH)2/C电极与物理混合电极的电化学性能进行对比发现,水热法合成的Ni(OH)2片均匀负载在碳粉上,电极具有良好的电解液质子传质及电荷传递性能,使其在大功率密度时可以给出比物理混合Ni(OH)2/C电极更高的能量密度。恒流充放电实验结果表明,得到的Ni(OH)2/C复合电极材料在0.56A·g-1(10mA·cm-2)和14.13A·g-1(250mA·cm-2)的充放电速率下,Ni(OH)2/C电极的比容量可以达到1121.5F·g-1(19.84F·cm-2)和749.0F·g-1(13.25F·cm-2)。最后,本论文对Ni(OH)2/C电极材料的葡萄糖传感性能进行了研究。计时电流和循环伏安测试结果表明,Ni(OH)2/C/玻碳电极对葡萄糖传感的灵敏度为84.64μA·mM-1·cm-2、最低检测限为20μM;线性范围是20μM-20mM,相关系数达到0.9998;响应时间为2.2s-2.8s;并通过循环伏安对电极的稳定性进行了考察,结果表明在20mV·s-1的扫描速下,循环50周期,对5mM葡萄糖的响应电流从56.70μA减小到54.26μA,仅降低4.3%。
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