电化学为什么选10 ma cm-2

循环伏安沉积石墨基PbO2电极及其超级电容器应用

发布期：2012-04-25

二氧化铅作电极材料具广泛工业用途,能源转换装备、机合及污水处理等,其二氧化铅作铅酸蓄电池阳极性物质量使用铅酸蓄电池比能量30~40Wh/kg范围,比功率较(约200~300W /kg),循环寿命差(300~500)采用性碳(AC)电极材料超级电容具比功率高(>1 kW /kg),循环寿命(>100 000)等优点[1],两者结合组复合超级电容,PbO2/H2SO4/AC体系,研究热点[2]与工业制备铅膏铅酸电池极相比,电化沉积二氧化铅能提高阳极性物质利用率[3-4],且具优点: (ⅰ)通调整电化参数准确控制膜厚度表面形貌[5], (ⅱ)能形状复杂基体形相均膜, (ⅲ)较高沉积率

前文献报道[6-7],PbO2电沉积程,溶性反应间体存,能Pb(3价)或Pb(4价)复杂含氧基团,Velichenko[8]等研究硝酸溶液电沉积PbO2发现, PbO2电沉积程受电转移或Pb2+扩散限制,反应机理:

第步形吸附含氧基团OH,随该含氧基团与Pb发化反应形溶性反应间体,能含Pb(3价),进步氧化形PbO2

作复合超级电容体系极材料,循环伏安沉积石墨基PbO2具电极厚度薄,石墨集流体硫酸抗腐蚀等优点,能够与性碳负极匹配本文重点研究用循环伏安石墨板基底沉积PbO2薄膜电极,并与性碳负极组装混合超级电容器,并运用恒流充放电、循环寿命、交流阻抗等电化研究其电化性能

1·实验部

1.1负电极制备

选用石墨板作极PbO2沉积基体,厚度1. 055 mm,面积1×1 cm2石墨板用离水清洗干净,再2. 5 mol·L-1NaOH进行电化除油(阳极电流300 mA·cm-2,间30min),再于1. 5 mol·L-1HNO3浸泡10 min,离水洗净,烘干采用三电极体系进行循环伏安电沉积石墨基PbO2薄膜电极,所电化操作均德ZAHNER-IM6型电化工作站进行PbO2电极制备实验装置三电极体系(图1),处理石墨板作工作电极,选用铂片电极作电极,饱甘汞电极(SCE)作参比电极本文所电势都相饱甘汞电极言,实验操作均(25±1)℃进行电镀液组0. 5 mol Pb(NO3)2+1 molHNO3,循环伏安电沉积电势扫描范围(0. 4~2. 0 )V,扫描速率20 mV/s,循环周期别采用50100

负极性碳电极制备工艺(图2)所示性碳、导电剂(乙炔黑)添加剂进行均匀混合,添加定量粘结剂聚四氟乙烯(PVDF),性炭与乙炔黑、聚四氟乙烯按质量比0. 85：0. 10：0. 05,加入适量水乙醇搅拌均匀,进行浆处理,涂布钛箔集流体制预型件,真空干燥,定压力进行压制型,即制定尺寸负极电极片

1.2　电极材料测试

考察电极表面PbO2颗粒表面形貌,用立公司4800型扫描电显微镜(SEM)析PbO2电极表面形态粒径研究实验制备PbO2电极材料晶型,采用本Rigaku D/Max-ШA型X射线衍射仪所品进行XRD析,使用Cu-Kα射线(λ=1.540 56 A)管压40 kV,管流300MV,扫描速度8°min-1,2θ扫描范围20~70°

1.3超级电容器组装与测试

用循环伏安沉积制备石墨基PbO2电极作极,性碳电极作负极,电解液采用1. 28 g·cm-3H2SO4溶液,孔碳纤维纸作隔膜,组装混合超级电容器并研究其恒流充放电、循环寿命、交流阻抗等电化特性循环伏安(CV)测试德ZAHNER ELECKTRIC公司IM6e电化工作站进行循环寿命测试LAND 2000充放电测试仪测试交流阻抗测试德ZAHNER ELECKTRIC公司IM6e电化工作站进行,工作电极施加幅值交流信号(5mV)通检测所电流信号复数阻抗,析阻抗图谱我需要体系信息

2·结与讨论

目前应用较电化沉积通恒电流、恒电压、循环伏安等[5, 9-11]电化沉积PbO2程电极表面形貌结构主要受传质程影响恒电流沉积通调节沉积电流电镀液性物浓度,减传质限制,进达控制PbO2结构[12]恒电压沉积通调节沉积电压控制PbO2结构[5]电沉积程,电流密度影响电极表面电化反应决定性素,理论恒电流沉积能更效控制沉积程沉积速率[13],恒电流恒电压制备PbO2电极性能进行比,结发现恒电流制备PbO2电极性能要优于恒电压[5]循环伏安沉积主要应用于制备导电聚合物,用于合氧化物报道非少,能氧化物导电性般较差,电沉积形层膜表面电阻增,阻止电沉积进步进行[14]PbO2具良导电性,能够持续发电沉积反应,用循环伏安进行电沉积循环伏安制备程,由于电流电压都变化,所程更复杂

2.1　PbO2电极电沉积程

循环伏安沉积石墨基PbO2薄膜电极,三电极体系,电镀液通恒电流/恒电位仪产循环伏安电位差,使铅化物发氧化原变化,沉积作工作电极石墨板基体PbO2薄膜电极循环伏安制备,工作电极说,根据电镀液铅化物发反应电极电势范围加循环伏安电压,定电压范围内,于工作电极说,电流负,石墨板基体阴极,电镀液铅化物先驱体首先发阴极电沉积电压变化使电流反向变,石墨板基体变阳极,沉积铅化物先驱体阳极氧化较高氧化态电流再变负,沉积反应发,循环, PbO2便层层沉积石墨板基体石墨板基底电极0. 5 molPb(NO3)2+1 molHNO3电镀液,电势扫描范围(0. 4~2. 0)V,扫描速率20 mV/s,循环周期别采用50100,图3石墨基底电极电镀液循环伏安电沉积图由图知: PbO2沉积溶解程都迅速,氧化原峰电流突跃,向扫描程,电势达1. 7 V,PbO2始凝结核,随着电势增加PbO2镀层断增,直反向扫描电势达1. 55 V结束1.5 V左右始发原反应,反向扫描直1. 0左右才结束,呈现较宽PbO2原蜂,说明PbO2完全原仍比较慢程,所终石墨板基底电极沉积PbO2量要于溶解PbO2量,经50100循环周期都能形比较PbO2薄膜电极

2.2扫描电显微镜(SEM)析

采用循环伏安石墨基底沉积PbO2涂层, 50100循环周期所制备PbO2电极扫描电显微镜(SEM)测试照片(图4), (a)50周期所制备PbO2电极, (b)100周期所制备PbO2电极同周期沉积膜形貌同,由图知:50循环周期沉积物颗粒规则,形貌裂,易剥落随沉积周期增加,l00循环电极表面裂缝再见,表面呈凝胶状

由凝胶知电极表面能既二氧化铅晶体,二氧化铅结构水合物,其式PbO(OH)2,形1晶体凝胶体系由于

平衡反应进行,整体系凝胶密度能维持临界值,电导电率质导电率均较高结构,质电放电机理[15]:

即等量电质进入二氧化铅(包括未水化晶体及水化定形相),结构水合物电极反应速率及电化性由电质其输送速率控制,结构水合物定程度能提高电极放电性能

2.3　X-射线衍射(XRD)析

进步确定电极表面晶相组,实验电极进行XRD测试,结(图5)所示采用循环伏安制备电极衍射谱图相比较复杂由图知: 100循环周期所制备电极同存PbO2、石墨(graphite)Pb(NO3)2,谱图graphite强特征衍射峰,应该由于石墨板(graphite substrate)作PbO2电极集流体, PbO2沉积其性物质间间隙,所测试现集流体石墨板衍射峰谱图几Pb(NO3)2特征衍射峰衍射峰强度,知其电极含量,由于电沉积程发Pb(NO3)2电镀液,且PbO2电极表面吸附质带电荷,电荷平衡原理使NO-3极易吸附电极表面,量蒸馏水清洗电极表面能全部除表面负电荷,PbO2电极内部结构存少量Pb(NO3)2谱图较四结构β- PbO2特征衍射峰,知其电极主要比发现50循环周期所制备电极主要β- PbO2,100循环周期所制备电极主要相差,说明100循环周期所制备电极表面二氧化铅结构水合物凝胶并能产相应特征衍射峰恒电流沉积制备电极材料α- PbO2β- PbO2混合物,α- PbO2含量随着沉积电流减减,电流密度减1 mA·cm-1, PbO2电极仅含β-PbO2[12]恒电压沉积电极α- PbO2β- PbO2混合物[5]循环伏安沉积复杂程,电化性能言,α-PbO2结构面比β-PbO2更加紧密,品起使颗粒间更电接触传递作用,紧密结构使α-PbO2放电性能面远β-PbO2,β-PbO2PbO2/AC混合超级电容器比α-PbO2具更电化性[12, 16],所通循环伏安沉积电化性较电极材料

2.4　PbO2/性碳混合超级电容器性能研究

2. 4. 1恒流充放电性能研究　采用50100循环周期所别制备PbO2薄膜电极作极,性碳电极作负极, 1. 28 g·cm-3H2SO4溶液作电解液组装混合超级电容器,250 mA·g-1电流密度, 0. 8~1. 86 V电位区间内进行恒流充放电性能测试,图6两种电极别组电容器充放电曲线比由图知: 50100循环周期所制备PbO2电极组电容器充放电性能都较,50周期PbO2电极组电容器放电IR降较,能电极表面所存裂缝导致其导电性,所内阻较100周期PbO2电极组电容器放电IR降较,放电间更,说明其电极沉积物与石墨集流体接触紧密且导电性IR降放电曲线陡降部,由电容器欧姆内阻导致根据公式:

Cm比电容值,△t间差,△V电压差,m性物质质量值,计算性物质比容量由公式计算100循环周期所制备PbO2电极组电容器比容量112. 8 F·g-1, 50循环周期所制备PbO2电极组电容器比容量80.3 F·g-1所, 100循环周期条件所制备PbO2电极放电性能要优于50循环周期条件,与SEM结构水合物定程度能提高电极放电性能结论相吻合

2. 4. 2　循环寿命测试　图7用100循环周期

所制备PbO2电极作极与性碳负极组装混合超级电容器,1. 28 g·cm-3H2SO4溶液循环寿命图,电流密度500 mA·g-1,充放电电压区间0. 8~1. 86 V,由图知混合电容高比容量达96. 8 F·g-1,且经2 000深循环比容量仍能达89. 2 F·g-1,容量保持率高达92%且较稳定性由图知电容库仑效率始并高,随着充放电循环进行比较升程,经概200循环能达比较高效率,升变缓慢极性物质二氧化铅激程,随着充放电循环进行,电解液硫酸逐渐进入二氧化铅与反应,电极深处性物质才充利用起由于负极性碳电极双电层电容性能稳定,混合超级电容性能主要决定于极二氧化铅电化性能,所库仑效率稳定升程,库仑效率总体比较高,能达85%[12, 17]

2. 4. 3　交流阻抗测试　图8用100循环周期所制备PbO2电极作极与性碳负极组装混合超级电容器路电位交流阻抗复平面图,加5 mV弦激发波,频率范围10-2~10+5Hz曲线由半圆非垂直于实部直线组,高频区阻抗代表电解质/氧化物电极界面电荷传输反应所引起阻抗Rc,t其数值通由半圆直径表达,低频区直线则溶液离氧化物电极界面扩散所引起Warburg阻抗[18]由图知混合电容器表现并非纯电容特性,电极表面存氧化原反应,电荷迁移产拉第准电容,并且扩散程控制电荷迁移反应高频曲线与实轴交点,知,该混合超级电容器溶液电阻(Warburg)约0. 86Ω,半圆半径知反应电荷迁移电阻(Rct)约2. 74Ω

3·结论

石墨板具优良导电性强搞腐蚀能力,浓硫酸种集流体材料本文利用循环伏安石墨板基底沉积PbO2薄膜电极,别采用50100循环周期制备PbO2电极,通SEMXRD研究电极表面形貌结构特性发现电极表面明显区别,前者表面现裂缝,者表面结构致密沉积PbO2颗粒主要均β- PbO2用两种同循环周期所制备PbO2电极与性碳电极匹配组装混合超级电容器,恒流充放电比曲线说明100循环周期所制备PbO2电极放电性能要优于50循环周期,与SEM结论相吻合循环寿命测试表明混合电容器500 mA·g-1电流密度比容量达96. 8 F·g-1, 2000深循环容量保持率高达92%交流阻抗显示电容器欧姆内阻,说明石墨板与性物质PbO2接触紧密且导电性采用循环伏安制备石墨基PbO2电极超级电容具电化性能,超级电容器领域着潜应用价值,何进步提高电容器性物质比容量继续研究重点

电容器装放间始电化测试

提问觉没意义

二氧化铅晶体斜方晶层间距：PbO2又称过氧化铅、铅酸酐，一种强氧化剂。棕褐色粉末，晶体结构属斜方晶系。受光的作用分解成四氧化三铅和氧。加热到290℃时生成三氧化二铅和氧，继续升温则分解成四氧化三铅和氧。不溶于水和乙醇，溶于盐酸。与有机物接触易燃。斜方晶系（OrthorhombicSystem）三条结晶轴彼此相互垂直但长度皆不同，外形为长方的柱状或板状结构。

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