纳米Ni(OH)2的制备及电化学性质测试的综合性实验设计

王耀先，赵晓军，贺国旭，王 香

(平顶山学院 化学与环境工程学院，河南 平顶山 467000)

纳米Ni(OH)2的制备及电化学性质测试的综合性实验设计

王耀先，赵晓军，贺国旭，王 香

(平顶山学院 化学与环境工程学院，河南 平顶山 467000)

该文采用均相沉淀法制备了Ni(OH)2纳米颗粒，运用X射线衍射技术和场发射扫描电镜对其结构和形貌进行表征，将其制作成电极，利用循环伏安和恒电流充放电技术对其电化学性质进行了研究。实践表明，因该实验涵盖的知识面广，有利于培养学生的科学素养和综合运用知识进行科学研究的能力，可以作为材料科学专业的综合性实验项目。

氢氧化镍；电化学性质；均相沉淀法；综合性实验

近年来，随着本科教学评估工作的推进，各高校在实验室建设方面投入了大量的财力，实验室的条件得到了根本改善，同时，实验教学作为高校教学体系中的重要组成部分，它在培养学生实践能力和创新能力方面的作用也日益受到重视[1-3]。平顶山学院化学环境工程学院自2012年8月搬到新校区以来，教学实验室的条件大为改善，并陆续购置了扫描电镜、X射线衍射仪、核磁共振波谱仪等多台大型精密仪器，组建了分析测试中心，但在化学实验教学中，实验项目还是以验证性实验较多，设计性实验和综合性实验较少，并且由于受自身科研实力的限制，实验室和一些大型仪器设备的利用率也不高。自2014年学校提出转型发展以来，化学环境工程院深化实验教学改革，将教师科研与实验教学相结合，实施开设化学综合性实验教学项目，以此培养学生分析问题和解决问题的能力，为他们今后走上工作岗位从事独立的相关工作打下坚实的基础。

Ni(OH)2是一种常见的过渡金属氢氧化物，常用于MH-Ni电池、电化学电容器的电极材料。按照传统的晶体学理论，Ni(OH)2有α、β两种晶型，充电后生成NiOOH，Ni(OH)2作为电极材料的充放电过程正是通过Ni在这两种物质之间氧化态的转换实现的。纳米Ni(OH)2作为电极材料具有比表面大、质子扩散快、扩散路径短及电化学活性大等诸多优点[4-5]。纳米Ni(OH)2的合成方法主要有均相沉淀法[6]、水热法[7]、低温固相法[8]和模板法[9]等，合成得到的形貌从一维的线状、二维的薄膜和纳米片到三维的花瓣状都有报道[10-12]，其作为电极材料的电化学性能也有较为详尽的研究。笔者利用已有研究成果设计了纳米Ni(OH)2从制备到电化学性能研究的一个综合性实验，使学生初步了解材料制备的方法和研究的技术手段，提高学生的科学研究素养和综合运用知识的能力。

1 实验

1.1 实验试剂

试剂包含Ni(NO3)2·6H2O、KOH、聚乙二醇、氨水、去离子水、导电石墨和泡沫镍，其中泡沫镍需裁切成1 cm×1.5 cm大小。

1.2 纳米Ni(OH)2的制备

1.3 电极的制备

先把制备的纳米Ni(OH)2、导电石墨、乙炔黑和聚四氟乙烯按80∶10∶5∶5的质量比充分研磨混合，然后加入少量无水乙醇制成膏状涂抹于泡沫镍集流体上，干燥后压制成片作为测试电极。

1.4 样品表征与电化学性能测试

材料的物相分析及形貌分析分别采用Philips X′Pert Software型粉末X射线衍射仪(Cu-Kα)及日本产JSM-6701F场发射扫描电镜。

电化学测试使用的是CH660b电化学工作站，在室温下采用三电极测试系统，参比电极是Hg/HgO电极，铂片电极作为对电极，电解液为6 mol/L KOH溶液。分别采用循环伏安和恒电流充放电技术对电极的电化学性能进行测试。

2 结果与讨论

2.1 纳米Ni(OH)2的结构与形貌表征

X射线衍射测试技术是材料分析研究的常用手段，如图1所示为制备的Ni(OH)2样品的X射线衍射图谱，从图中可以看到，在2θ值分别为15.5°，33.5°，38.3°，51.2°，59.5° 和 62.2°处共出现了6个衍射峰，分别对应于(001)、(100)、(101)、(102)、(110)和(111)晶面，这与Ni(OH)2的标准卡(J CPDS NO.142117)吻合，可以确定所制备的样品的结构为β-Ni(OH)2。另外，在(001)、(101)、(102)和(111)晶面处的衍射峰宽化，表明所制备的样品颗粒较小，同时从半峰宽的特点也说明了采用这种方法所制备的晶体具有较多的缺陷。

图1 纳米Ni(OH)2的XRD谱图

图2 纳米Ni(OH)2的FESEM图

如图2所示为制备的纳米Ni(OH)2的FESEM图，可以看出样品颗粒呈微球状，直径约在10～20 nm范围，颗粒分散较为均匀，局部产生团聚，表明制备的纳米颗粒具有较高的比表面积。颗粒均匀的分散度和较高的比表面积，增加了材料和电解液的接触面积，有利于反应过程中离子的插入和脱出，提高了材料的电化学活性，保证电化学反应具有较高的反应速率。

图3 纳米Ni(OH)2的循环伏安曲线(扫描速率：a—5 mV/s；b—10 mV/s；c—15 mV/s)

循环伏安法是一种常用的电化学测试方法，可用于电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数的研究。如图3所示为制备的纳米Ni(OH)2电极在不同扫描速率下的循环伏安曲线。从图中可以看出，每条循环伏安曲线都有一对较强的氧化还原峰，且氧化峰与还原峰基本呈中心对称，表明该电极具有较好的可逆性，其对应的法拉第反应是Ni(OH)2/NiOOH之间发生的氧化还原反应。

随着扫描速率增大，氧化峰与还原峰的峰位差增大，峰电流增强，峰电流的强度与扫描速率的二分之一次方呈近似线性关系，表明该电极表面发生的反应是一个受扩散控制的氧化还原反应。

图4 纳米Ni(OH)2的充放电曲线

对材料的电化学性能进行研究的另一项常用技术是恒电流充放电测试技术，它是在恒电流条件下对被测试电极进行充放电操作，记录其电位随时间变化规律，进而研究电极的充放电性能，计算其实际的比容量的一种测试技术。如图4所示是Ni(OH)2电极在不同电流密度下的充放电曲线。从图4中可以看出，充放电的电流密度增加一倍，同一电极对应的充放电时间几乎减少一倍，这表明Ni(OH)2电极材料在电解质溶液中发生的氧化还原反应是一个准可逆的反应过程，这也印证了循环伏安测试的结果。

单个电极比电容可通过充放电曲线，根据以下公式计算得到：

式中，Cm为比电容，Q为电量，ΔU为放电电压范围，Δt为放电时间，I为充放电电流，Δm为电极材料用量。经过计算，在电流密度为5 mA时，比容量为833 F/g；当电流密度增大到7 mA、10 mA时，比容量分别为812 F/g、799 F/g，表明电流随着电流密度增加，比容量略有下降，说明样品具有较高的倍率容量性质。

3 结束语

利用已有的科研成果设计了开放型的综合实验，实验涉及了制备、形貌与结构表征和电化学性质测试几个方面的内容，使学生初步了解材料科学研究的方法和技术手段，特别是通过电化学性质的测试，增加了学生对新能源材料开发的感性认识。

本实验的设计合理，有一定的创新性，实验在运行方式上采用开放式教学，学生根据本实验内容预习查阅文献、设计方案，在帮助学生巩固基础知识的同时，又培养了学生进行科学研究的能力。

在仪器使用上涉及了大型精密仪器，既提高了平顶山学院大型精密仪器的使用率，又促进了大型精密仪器的管理，将教学与科研有机结合，达到了相互促进、共同提高的效果。

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ComprehensiveExperimentalDesignBasedonSynthesisandElectrochemicalPropertiesofNano-Ni(OH)2

WANG Yaoxian，ZHAO Xiaojun，HE Guoxu，WANG Xiang

(Department of Chemistry and Environmental Engineering，Pingdingshan University，Pingdingshan 467000，China)

Ni(OH)2nanoparticles were prepared by homogeneous precipitation method.The morphology and structure were characterized by X-ray diffraction(XRD)and field emission scanning electron microscopy(FESEM)respectively.Further investigation on the electrochemical performance of Ni(OH)2nanoparticles which used as the electrode materials was studied by cyclic voltammetry and constant current charge and discharge technology.The designing experiment includes a lot of knowledge and it is beneficial to develop students scientific literacy and comprehensive use of knowledge to carry out scientific research.Thus it can be applied as a comprehensive experimental of project in materials science.

Ni(OH)2；electrochemical properties；homogeneous precipitation method；comprehensive experiment

2016-12-16；修改日期:2017-01-20

河南省教育厅科学技术研究重点项目(14B150050)。

王耀先(1973-)，男，硕士，实验师，主要从事新能源材料方面的研究。

O646

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.010