电沉积法制备纳米氢氧化镍粉末

电解法制备纳米氢氧化镍

前言

电化学沉积法制备氧化物超级电容器电极，具有直接一步制成电极的优点，简化了电极制备过程。同时，由电沉积方法制备的氧化物的比容量高，从这个角度来看该方法具有良好的应用前景。用电沉积法制备纳米材料是目前纳米材料制备中最为活跃的一个领域，该方法是通过选用合适的电极材料，对电解液进行电解，调节电极电位、电流来控制反应的方向和速度，在电极上产生所需要的物质。

沉积的方法主要包括直流电沉积、脉冲电沉积、喷射电沉积和复合电沉积等方法。在电沉积过程中，沉积层的形成包括两个过程：一是晶核的生成，二是晶核的成长。如果晶核的生成速度大于晶核的成长速度，则可获得晶粒细小致密的沉积层。

电化学法合成纳米 Ni(OH)2和 NiO 具有成本低，操作简便，环境污染小，所得产物纯度高，分散性好等优点，近年来引起了人们的重视。在外加电流的作用下，金属镍阳极氧化成 Ni2+，水分子在阴极上还原析氢产生 OH-，两者反应生成 Ni(OH)2沉淀。根据电解液是否含水可分为水溶液法和非水溶液法。水溶液法是利用恒流阴极极化和恒电位阳极电沉积法将 Ni(OH)2沉积到 Ni 32基体上，电化学沉积得到水合 Ni(OH)2，吸附水嵌入到 Ni(OH)2晶格中。非水电解法是以纯金属镍板作阳极，惰性电极(石墨、铂、银)作阴极，醇作电解液，电解液及整个电解过程不能有水的存在，由于醇不导电，所以必须加入支持电解质，支持电解质可选用铵盐和季铵盐，采用直流电或整流交流

电在醇沸点温度下加热电解。纳米氢氧化镍材料的制备方法。subbaiha等报道[25],在电沉积合成Ni(OH)2时,氢氧化镍的粒度随电流密度的增加而增大,但电流效率和堆积密度却随之减小,堆积密度随镍的原始浓度增加而增大。文献报道[26],电流密度和温度对电化学沉积Ni(OH)2的表面形态和电化学活性也有影响。而且用椭圆光度法现场监测氢氧化镍的电化学沉积过程,发现在特定的电流密度下可得到结构紧密和分布均匀的氢氧化镍薄膜[27]。

当纳米 Ni(OH)2作为电极材料时, 它表现出的电化学性能主要包括以下特点:

(1) 提高的电化学反应活性和快速活化能力,由于其比表面积大, 有利于活性物质与电解质溶液的接触和质子在晶格间的扩散, 因此纳米 Ni(OH)2有更高的电化学反应活性和快速活化能力,质子扩散行为的研究也证实: 纳米Ni(OH)2的电化学反应极化比球型 Ni(OH)2的要小, 质子扩散系数比粒度为微米级的球型Ni(OH)2的要高近一个数量级。

(2) 提高电极充电效率, 并使活性物质得到充分利用。充放电测试表明, 纳米Ni(OH)2的氧化峰电位比普通球镍要低, 而还原峰电位比普通球镍要高, 因此, 纳米 Ni(OH)2在充放电时, 可提高电极充电效率和放电电位, 使活性物质得到充分利用。

实验方法

电沉积原理

阴极电沉积制备氢氧化镍薄膜电极的工作原理如下：

阴极反应：NO3- + 6H2O + 8e- = NH3 + 9OH-

Ni2+ +2OH- = Ni(OH)2

阳极反应：Ni = Ni2+ + 2e-

（1）电解液的配制

首先，配制体积比为 1:1 的乙醇-水溶液，作为电解液溶剂备用；然后根据实验要求称取不同质量的硝酸镍作为溶质，配制成硝酸镍电解液。在这里硝酸镍是主盐，乙醇起表面活性剂作用。配制 6 mol·L-1的 KOH 溶液待用。

（2）电极前处理

电极表面在未经处理前有污垢(尘埃、油脂)层和氧化层，为了减少表面杂质对电极反应的影响，保证电流效率，需要对阳极镍片进行前处理。前处理工艺[20]如下：将阳极镍片在丙酮溶液中浸泡一分钟，对表面进行除油；取出电极，用去离子水清洗电极表面三次以上；将电极浸入 0.1 mol·L-1盐酸溶液中浸泡 3 分钟；取出电极后用去离子水清洗电极表面三次以上；自然晾干后待用。

阴极的前处理工艺与阳极类似。

（3）电沉积工艺

电沉积法制备 Ni(OH)2的装置如图所示：电解槽体的材料为有机玻璃。

电解的过程如下：打开恒流电源，预热 10 分钟左右；将处理好的两电极按图中所示安装好，阳极的面积相对阴极要大一些；将配制好的电解液倒入电解槽中；将恒流电源电流调整至实验所需数值（10-20mA/cm2），按实验预定时间进行电沉积；电解完毕后，关闭恒流电源，取出电解阴极，用去离子水清洗阴极表面多次，烘干后即可得到 Ni(OH)2薄膜电极。

(4)正极制备工艺

电极制备工艺如下：将清洗后的电极放入烘箱中干燥 30 分钟，或自然晾干 5 个小时；将电极在压片机上压制成型，示意图如图 2-2 所示。

压制时电极两侧垫用聚乙烯薄膜材料，压力为 2 MPa，压制时间 1 分钟；取出电极后进行称重，以求出活性物质的重量；将电极在 6 mol·L-1的KOH 溶液中浸泡 12 小时，得到超级电容器的正极。

方法二：

电化学沉积法的过程是: 由镍和取代离子的硝酸盐混合溶液作电解液, 阳极室加入硝酸钾作导电电解质, R 片作阴极,R 丝作阳极, 控制溶液的 pH 值, 在室温下以适当的电流密度进行阴极还原, 阴极区得到的沉淀物即是 Ni(O H )2或者直接在泡沫镍中进行电沉积, 也可制成以Ni (OH)2 为活性物质的镍电极。

（5）纳米氢氧化镍/碳复合材料的合成

不同碳基底材料的纳米氢氧化镍/碳复合材料的合成

C-0.5-Ni(OH)2/乙炔黑:

首先把0.2781 g 乙炔黑加入到溶解有0.7131 g (0.003 m ol)NiCl2.6H2O 的20 m L水溶液当中,并加入 0.5 m L 乙醇,超声 10 min 后, 向混合物中缓慢加入 20 m L 溶解有 0.396g( 0.006 m ol ) 氢氧化钾的碱溶液, 再继续超声 20min反应物采用离心进行分离, 用超纯水洗 3-4 次, 再用乙醇洗涤后, 于 56 °c 干燥即可得到含有纳米N i(O H )2约 50% 的复合物, 命名为 c -0.50-Ni(OH)2/乙炔黑。

C -0.5-N i(OH)2/碳黑:

与上述合成过程相似, 把 0. 2781g 碳黑加入到溶解有 0.7131g