水热法制备氢氧化钴及其超电容性能的研究

论文题目：水热法制备氢氧化钴及其超电容性能的研究姓名：院系专业：化学班级：学号：0指导老师：完成时间：目录摘要 (I)Abstract (II)一前言 (1)1.1 超级电容器的研究背景 (1)1.2 超级电容器的性能特点 (1)1.3 电化学电容器的储能原理 (2)1.4 超级电容器研究的电极材料及应用 (3)1.5 选题依据 (3)二实验部分 (5)2.1 试剂与仪器 (5)2.2 样品的制备 (5)2.3 电极的制备及电化学性能的测试 (6)三结果与讨论 (7)3.1 不同沉淀剂制备的氢氧化钴电化学性质研究 (7)3.1.1 循环伏安测试 (7)3.1.2 恒流充放电测试 (8)3.1.3 交流阻抗测试 (7)3.1.4 小结 (8)3.2 不同投料比的氢氧化钴电化学性质研究 (8)3.2.1 循环伏安测试 (8)3.2.2 恒流充放电测试 (9)3.2.3 交流阻抗测试 (11)3.2.4 小结 (11)四结论 (11)参考文献 (11)致谢 (19)摘要利用水热法，以硝酸钴为原料，氢氧化钠、醋酸钠、尿素为沉淀剂，制备了氢氧化钴。

通过循环伏安、恒电流充放电等测试表明，以醋酸钠为沉淀剂、反应温度为100℃时，氢氧化钴电极在1 mol·L-1氢氧化钾溶液中和-0.05~0.45通过电化学性能测试，得出醋酸钠与硝酸钴摩尔比为1:1时单电极比电容最大达184 F·g-1，电化学性能较好。

关键词：；超级电容器；电容性能AbstractUsing the hydrothermal method, using cobalt nitrate as raw materials, sodium hydroxide, sodium acetate, urea as precipitating agent, cobalt hydroxide was prepared. Shown by cyclic voltammetry, constant current charge-discharge test, with sodium acetate as precipitating agent, the reaction temperature is 100 ℃, the cobalt hydroxide electrode in 1 mol · L-1potassium hydroxide solution and -0.05~0.45 V (vs. feeding hydrogen oxidation ratio of the drill, the electrochemical performance tests, the molar ratio of sodium acetate and cobalt nitrate as 1:1 single electrode capacitance than the maximum up to 184 F · g-1, good electrochemical performance.Keywords: Hydrothermal; Super capacitor; Capacitance performance一前言1.1超级电容器的研究背景在环境污染严重，能源匮乏的今天，要求尽快改善人类生存环境的呼声日益高涨，因此，对无污染新能源的开发、利用及存储成为众多学者的研究热点之一。

各种电动汽车的研制就是此种要求的具体体现。

双动力或多动力电动汽车在加速、启动、爬坡时要求高功率，而蓄电池在大功率应用时会降低效率和缩短寿命。

常规的电容器和充电电池无法满足这方面的要求，因此具有高能量密度、高功率密度、低等效串联电阻以及性价比高的活性材料上。

RuO2等贵金属氧化物是理想的超级电容器电极材料，比电容高，导电性能好，但高昂的价格限制了其广泛应用。

因此超级电容器电极材料研究的重点逐渐转移到了以NiO、MnO2和CoOx为代表的贱金属氧化物[1]。

超级电容器也叫电化学电容器，是一种介于蓄电池和传统静电电容器之间的储能装置。

与常规静电电容器不同，其容量可达法拉级至数千法拉，功率密度大，良好的的可逆性能（90%~95%），循环寿命长（>105次）。

另外其完成充电时间短，可以作为大功率脉冲电源，能大电流瞬时充放电，广泛应用于数据记忆存储系统、便携式仪器设备、后备电源、通讯设备、计算机、电焊机、充磁机、闪光灯、燃料电池、电动车混合电源等领域。

随着绿色电动汽车的研制，超级电容器的研究也进入了一个全新时期[3]。

极材料主要是金属氧化物和导电聚合物[6]。

1.2超级电容器的性能特点超级电容器具有比常规电容器更大的比能量，比蓄电池更大的比功率和循环使用寿命。

比容量可达传统电容器容量的100倍以上。

能量密度是化学电源的十分之一左右，却有着比电池高10倍以上的功率密度。

因此，超级电容器已不再是一般意义上的电路元件，而是一种新型环保储能元件。

将超级电容器与蓄电池并联使用，可减少电动汽车对蓄电池大电流放电的限制，延长蓄电池的使用寿命，并且对环境无污染，是真正的绿色能源。

它是介于常规电容器和蓄电池之间的新型储能设备及器件，它具有许多传统储能器件所不具备的优点。

表1.1 是超级电容器与电池、传统电容器性能参数的比较[7]。

蓄电池传统电容器超级电容器充电时间1~5h10-6~10-3s1~30s放电时间0.3~3h10-6~10-3s1~30s能量密度(W.kg-1)20~100≤0.11~10功率密度(W.kg-1)50~200≥10.0001000~2000循环寿命500~2000∞1000~2000表1-1 超级电容器与电池、传统电容器性能的比较作为一种新型储能元件，超级电容器的特点主要有:1.功率密度高。

与充电电池相比，超级电容器可作为功率辅助器，供给大电流。

超级电容器的功率密度是传统蓄电池的10~100倍左右。

可以在短时间内流充电，且能在很短的时间内完成充电。

3.使用寿命长。

超级电容器在充放电过程中发生的电化学反应具有很好的可逆性，具有超长的使用寿命，充放电循环寿命在10万次以上。

4.超高的电容量。

与传统电容器相比较其电容量大得多，比同体积传统电容器容量大2000~6000倍。

5.使用温度范围宽。

可在-40℃~+70℃温度范围内使用，其低温性能较传统储能元件要好的多。

6.放置时间长。

超级电容器有长的循环寿命，超过一定时间会自动放电到低压，但仍能保持其电容量，且能充电到原来的状态，即使几年不用仍可保留原有的性能指标。

1.3电化学电容器的储能原理超级电容器与传统电容器的不同主要表现在储存能量的多少上，作为能量的储存容器和法拉第准电容器[9]。

双电层电容的充放电原理：金属表面上的静电荷从溶液中吸收部分不规则的分配离子，使它们在电极/溶液界面的溶液一侧，离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。

于是在电极上和溶液中就形成了两个电荷层。

当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层;撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。

这时对某一电极而言，会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性;当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。

间内进行电荷转移，即可获得更高的比功率。

同时，在整个充放电过程中，电极上没有发生决定反应速度与限制电极寿命的电活性物质的相变化，因而循环寿命长。

它还具有其他特点:如比能量高、快速充放电能力强。

1.4超级电容器研究的电极材料及应用在超级电容器的研究中, 许多工作都是围绕着开发各种在电解液中有较高比容量的电极材料而进行的。

目前应用于超级电容器的电极材料主要有3种: 碳基材料、金属氧化物及水合物材料和导电聚合物材料[1]。

高的功率密度、使用寿命长、充放电性能好、大电流的电化学性能以及环保的特点，在电子、通讯、国防以及航空航天等领域得到越来越广泛的应用，其市场前景相当广阔[13]。

1.5选题依据金属氢氧化物是目前研究为广泛的一类超级电容器材料。

在所有的金属化合物中，RuO2具有高的比容量和良好的电导率，但高昂的价格限制了它在超级电容器中的应用。

目前国内外研究者正积极寻找廉价氧化物及其他化合物来替代RuO2。

在所用些廉价的过渡金属氧化物中，Co(OH)2因其具有好的赝电容性能、低的价格、长期使用性能和好的耐腐蚀性，是一种具有发展潜力的超级电容器电极材料[16]。

然而,我国是钴资源匮乏之国, 但采用新技术合成Co(OH)2已有报道，北京矿的方法制备最有用的材料符合绿色化学理念。

二实验部分2.1试剂与仪器硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O，分析纯，天津市北联精细化学品开发有限公司）司）氢氧化钠（NaOH ，分析纯，天津市科盟化工工贸有限公司）氢氧化钾（KOH，分析纯，天津市科盟化工工贸有限公司）聚四氟乙烯乳液（PTFE）乙炔黑磁力加热搅拌器（79-1型，江苏医疗仪器厂）数控超声波清洗器（KQ-250DE型，昆山市超声仪器有限公司）数显鼓风干燥箱（GZX-9146MBE型，上海博讯实业有限公司医疗设备厂）电子天平（FA2104N型，上海民桥精密科学仪器有限公司）容量瓶(100 ml、 250 ml)反应釜(30、50ml)玻璃棒马弗炉玛瑙研钵2.2样品的制备（1）以硝酸钴为原料，十二烷基磺酸钠为分散剂，分别制备以醋酸钠和氢氧化钠为沉淀剂的氢氧化钴：准确称取一定量的硝酸钴、十二烷基磺酸钠分俩份，向俩份样品中分别加入醋酸钠、氢氧化钠，然后各加35 ml去离子水，室温下磁力搅拌至混合均匀。

再分别将混合物转入高压釜中，填装度为80%，密封、（2）、十二烷基磺酸钠分俩份，向俩份样品中分别加入醋酸钠、尿素，然后各加35 ml去离子水，室温下磁力搅拌至混合均匀。

再分别将混合物转入高压釜中，填装度为80%，密封、100°C下恒温12 h。

反应完全冷却至室温可得沉淀，抽滤，用去离子水、无水乙醇反复淋洗，60°C下干燥8 h，得到的产物分别标为样品a、样品c。

（3）以硫酸钴为原料，醋酸钠为沉淀剂，制备不同投料比的氢氧化钴：按醋酸钠和硫酸钴摩尔比为3:1、2:1、1:1、1:2、1:3混合，按（1）方法制备样品，得到的产物分别标号为d、e、f、g、h。

2.3电极的制备及电化学性能的测试粉末与乙炔黑、粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)以一定质量比将制备好的Co(OH)2相混合和成糊状（电活性物质为5 mg），均匀地涂在镍网上，常温下干燥后压成三结果与讨论3.1不同沉淀剂制备的氢氧化钴电化学性质研究3.1.1循环伏安测试图3-1Co(OH)2(a、b、c)电极的循环伏安曲线图电极循环伏安曲线，工作电位范围图3-1为不同沉淀剂制备的Co(OH)2-0.05~0.4 V（vs.SCE），扫描速率为5 mV·s-1。