材料化学实验(二)-超声辅助合成硫化铋

超声辅助法合成硫化铋及其储氢性能研究

一．实验目的

1. 了解新型非金属储氢材料的研究进展

2. 掌握硫化铋储氢材料的超声辅助合成方法

3. 熟悉电化学储氢电极制备及材料性能测试

二．实验原理

1. 储氢材料的研究进展

氢能源是一种新型的环境可持续能源形式。而缺乏安全、方便、高效的储存

系统是氢能源利用的一个重要障碍。当前主要的材料储氢体系：（1）物理储存（如压缩、液化等）；（2）不可逆化学储存（如甲醇、氨水等）；（3）可逆化学（电化学）储存（如金属及合金的氢化物、新型非金属氢化物等）；（4）气固相吸附（如大比表面载体、纳米碳材料等）。

2. 储氢材料的合成方法

传统金属及合金储氢材料的合成制备方法为电弧熔炼法、高温固相法、化学

还原法、机械合金化法等。

新型非金属储氢材料的主要是指具有电化学储氢功能性的碳纳米材料、硫化物、氧化物、氢氧化物等。其储氢机理中，常以过渡金属或重金属离子为催化剂、而其富含的带电荷的硫原子、氧原子、氢氧根离子等可作为与氢原子相互作用的

重要基团。此类新型储氢材料的合成方法与常见的纳米和功能材料相类似，主要分为物理法、化学法和综合法。物理粉碎、喷雾干燥、激光轰击、超声等都属于

物理法；溶胶凝胶、水热、溶剂热、沉淀、共沉淀等都属于化学法；本次实验将

要采用的超声辅助沉淀法属于典型的综合法。

3. 电化学储氢电极和储氢器件

储氢合金和新型非金属储氢材料的储氢基于电化学储氢，主要应用于镍氢电

池负极，其电极反应如下。

–

- = NiOOH + H2O + e

正极反应：Ni(OH)2 + OH

负极反应：M + xH2O + x e -= MH x + x OH-

总反应：x Ni(OH)2 + M = xNiOOH + MH x

(注：MHx 表示吸氢状态下形成的金属氢化物)

三. 实验步骤

1. Bi2S3 的超声辅助合成

在100mL 的干燥小烧杯中,称取五水合硝酸铋 1.0g，然后依次加入0.5mL 浓

盐酸和20mL蒸馏水，置于超声波振荡器中，使烧杯内液面略低于外部液面，开

启超声。再称取0.5g 硫代乙酰胺并用15-20mL 蒸馏水溶解，然后在超声下将硫

代乙酰胺溶液分批次缓慢倒入硝酸铋溶液中，升温至40-50 摄氏度，超声沉淀20-30 分钟。沉淀结束后，离心分离出沉淀，再用蒸馏水离心洗涤 5 次，无水乙

醇离心洗涤两次，最后将离心管置于真空干燥箱中100 摄氏度干燥1-2 小时。

2. 电极制备和器件组装

（1）正极制备：于30mL 瓷坩埚中称取干燥的Ni(OH)2 0.24g、PVDF 0.01g 用玻

璃棒搅拌混匀5min ，然后滴加5-8 滴NMP 溶液，待浸润后搅拌20min 成均匀的糊状浆液，

再用玻璃棒蘸取并涂抹于已经称重后的泡沫镍网的下半部分，蘸取2-3 次即可，小心的置于烘箱120 摄氏度烘干 1 小时，冷却后再次称重并记下涂覆样品后的泡沫镍重量，最后用另一

片泡沫镍空片（未涂样品）将样品夹合，在20 MPa 压力下保压 1 分钟压制成正极极片。

（2）负极制备：于30mL 瓷坩埚中分别称取干燥的Bi2S3 0.20g、乙炔黑0.04g、

PVDF 0.01g再用玻璃棒依次搅拌混匀5min，然后滴加15-20 滴NMP 溶液，待浸润后搅拌20min

成均匀的糊状浆液，再用玻璃棒蘸取并涂抹于已经称重后的泡沫镍网的下半部分，蘸取2-3 次即可，小心的置于烘箱120 摄氏度烘干 1 小时，冷却后再次称重并记下涂覆样品后的泡沫

镍重量，最后用另一片泡沫镍空片（未涂样品）将样品夹合，在20 MPa 压力下保压 1 分钟

压制成正极极片。

（3）器件组装：将正、负极极片分别穿孔，并将极片下半部分浸润在装有

50 mL 6mol/L KOH溶液的小烧杯中将电极活化24 小时以上。按照红色-正极、黑

色-负极的对应关系将测试夹具分别夹在正负极上，制成Ni-H 电池测试器件。

3. 储氢性能测试（Ni-H 电池测试）

在LAND电池测试仪上，进行重放电测试，充电时以100mA/g 电流密度充

电，截止充电电压为 1.5V，放电时以50和100mA/g 电流密度各两次放电至0.05V。

四. 数据处理

1. 以电压和充放电比容量作图并分析；

2. 写出此电池电极反应式和总反应式，根据容量核算电化学储氢比例（所储存氢原子在储氢材料中的质量比例）。

五. 思考题

1. 氢能源为何被认为是环境可持续能源。

2. 超声辅助在硫化铋沉淀法合成过程中的主要作用。

参考文献：

1. 戴贵平，刘敏，王茂章，成会明；纳米碳管电化学储氢的研究进展；新型碳

材料，2002, 17（3）：70-74.

2. 郭生武，程羽，柳永宁；电极制备工艺对储氢合金电化学性能的影响；稀有

金属材料与工程；2001，30（5）：380-383.