电化学综合实验——电沉积多孔镍及其析氢性能表征

电化学作为应用化学专业的核心课程之一,涉及电化学理论知识、研究方法及应用,在培养应用化学专业学生综合实践能力中起着重要作用。目前,本科应用化学专业实验包含多个电化学实验,其知识点分散、总学时过长。因此,本实验通过析氢催化材料多孔镍的电化学制备及其性能表征,将循环伏安、电镀、塔菲尔曲线等知识点融合串联。利用循环伏安法研究镀液中反应物氧化还原反应电位并确定沉积条件,在阴极还原镍过程中,以电极表面析出的氢气气泡为模板,电沉积制备具有高比表面积的多孔镍薄膜,再通过塔菲尔曲线测试表征多孔镍薄膜的析氢催化性能,课前则通过线上版块发布预习任务。经上述改进,将原来三个孤立实验综合在一起,建立了完整的知识体系,深化了学生对基础知识的理解,提高了学生数据分析处理能力与科学研究思维,增强了学生的综合实验能力,同时也培养了学生的创新意识和探索精神。

3D打印激光制备多孔镍合金组织和力学性能研究

采用3D 打印激光熔化技术制备了多孔镍基合金，并对其显微组织构成和压缩力学性能进行了分析。研究结果表明，采用3D 打印激光熔化技术制备的多孔镍合金，孔隙率为14．68％～18．97％、抗压强度为461～535 MPa，其微观组织主要呈现γ-Ni 枝晶，压缩断口为撕裂式枝晶断裂。

喷射电沉积多孔镍

采用喷射电沉积方法,分别选择不同的电流密度、喷射流量和两极间距及电沉积时间进行试验,分析了各试验参数变化对多孔镍形貌的影响规律,并用图形处理软件ImageJ对多孔镍的孔隙率和相对密度进行分析,找出了最佳试验参数。结果表明:适当大的电流密度、小的喷射流量、适中的喷射间距更有利于形成性能和形貌良好的多孔镍。

粉末多孔镍电极电化学阻抗谱及其数学模型

镍电极反应动力学在大多情况下是受固态质子扩散过程控制的，以此为出发点建立了具有明确物理意义的镍电极电化学阻抗谱（EIS）的数学模型．并以该模型为基础，讨论了一些模型参数如双电层电容C（d1）、质子扩散系数D及活性物质位于半径γ0等的改变，电极的不同行电状态以及多孔镍电极中的传质过程对镍电极阻抗谱的影响．理论模型较好地解释了一些实验结果．

造孔剂法制备孔隙率可控的多孔镍钛合金(英文)

用常规粉末冶金烧结法结合造孔剂技术制备了多孔镍钛形状记忆合金。研究结果表明,孔隙特征主要取决于所用造孔剂的尺寸和形貌,而孔隙率可以通过加入造孔剂的含量来调控;所制备合金的主要成分是B2相和B19’相的NiTi,在经高温固溶处理后仍有极少量的Ti2Ni,Ni3Ti和Ni4Ti3等杂质相存在,而且合金杂质相的含量随造孔剂加入量的增加而相应提高。对合金的相变热分析表明,在从高温降至低温过程中多孔镍钛发生特殊的三阶段相变,这主要是由合金成分和相组成在晶界的不均匀造成的。最后,研究表明相变对多孔镍钛合金的阻尼性能(内耗)有独特的影响,而孔隙率对阻尼的影响则不明显。

纳米多孔镍的多层次结构及其影响因素

采用真空熔炼,快速凝固与去合金化相结合的方法制备纳米多孔镍,用XRD、SEM、EDS分析试样的相组成及形貌,研究多层次纳米孔的形成机制及不同工艺对其结构的影响。结果表明:快速凝固可制备晶粒均匀、细小的理想前驱体Ni30Al70合金,经去合金化可获得由100～300 nm大骨架及孔径尺寸10 nm的蜂窝状多孔结构共同构成的纳米多孔镍。NiAl3和Ni2Al3两相腐蚀的协同作用对新颖多层次纳米多孔镍结构的形成有重要影响。最佳去合金化温度65℃,最佳溶液浓度25%。

高温余热回收用熔融盐/多孔镍基复合相变蓄热材料(英文)

提出了一种由多孔镍基熔浸熔融盐制备而成的新型复合相变蓄热材料，重点研究了该材料的制备。并采用X-射线衍射分析、扫描电镜和差热差重分析，研究了复合蓄热材料的性能和结构。结果表明：最佳的复合时间2～3h；最佳的复合温度为高于熔点50～100℃。

喷射电沉积块体多孔镍的研究

采用喷射电沉积方法制备块体多孔镍。分别选择不同的扫描方式、电流密度进行试验,分析了各试验参数对块体多孔镍形貌的影响规律,并应用图形处理软件ImageJ对多孔镍的孔隙率和相对密度进行分析,获得最佳试验参数。结果表明:采用扫描速率中间部位慢于边界部位、在块体各点均匀暂停的扫描方式,有利于多孔镍沉积均匀平整。随着电流密度的增加,镍沉积层明显变得致密,孔径减小,而孔隙率增大。

多孔镍/碳纳米管中空纤维膜的制备与结构表征

泡沫镍作为电极活性材料的常用骨架,其孔径在500μm以上,为了制备出孔径小、空间利用率高的多孔金属集流体材料,探索了多孔镍/碳纳米管(Ni/CNTs)中空纤维膜的制备新工艺.首先配制包含金属镍粉的铸膜液,通过干-湿纺丝工艺得到中空纤维生坯材料,经烧蚀掉有机物后,金属粉末烧结自组装成多孔镍中空纤维膜;然后以镍膜为基体负载催化剂后,采用化学气相沉积法在镍膜上直接生长CNTs制得多孔Ni/CNTs中空纤维复合膜.通过实验可知:铸膜液配比为wNi∶wPAN∶wPVP∶wNMP=50∶8∶1∶41,纺丝参数为采用插入管式喷丝头,其芯液流量为50 m L/min,计量泵泵供量为8 m L/min,釜内氮气压力为0.1 MPa,喷丝孔直径为1.5 mm,插入管外径为2.5 mm;在950℃还原性气氛下,烧结可以得到孔径5μm左右的多孔镍中空纤维膜.采用0.001 mol/L的Ni/Y催化剂,550℃下混合气体比例vAr∶vH2∶vC2H2=200∶50∶8时进行化学气相沉积,可在中空纤维Ni膜表面可生长出直径20~30 nm的CNTs.

氢气泡模板法制备多孔镍用于电催化氧化乙醇

多孔镍通过同时在水溶液中析出氢气及还原镍离子电沉积生成,其在强碱溶液中对乙醇表现出良好的电催化氧化效果。在1 mol/L KOH溶液中,多孔镍的电极反应为准可逆的β-氢氧化镍与β-羟基氧化镍之间质子耦合电子转移。循环伏安图显示峰值电流密度与电势扫描速度平方根成线性关系,据此计算可得多孔镍的质子扩散系数值为2.92×10-8cm2/s,其高于块状镍体系的质子扩散系数值约4个数量级,这可能由真实表面积增大导致。循环伏安法和计时电流法用来表征多孔镍对乙醇的电催化氧化能力,相对于(220)镍电极,多孔镍表现出更高的催化效率,计时电流法测量的催化反应速率常数为7.17×103cm3/(mol·s)。

碳骨架上改进的瓦特镀液体系制备多孔镍层

通过扫描电镜、能谱仪、孔隙率测试和万能材料拉伸试验机对改进的瓦特镀液体系制备的多孔镍层的形貌、成分、孔隙率和压缩性能进行了研究,确定了改进的瓦特镀液配方及工艺条件。结果表明:制备的多孔镍层的孔隙是五边形窗体所组成的空间十二面体结构单元在三维空间的拓扑分布,多孔镍层表面平整、光洁,孔隙率为85%~90%,成分为纯镍。最优配方制备的多孔镍层的抗压强度为1.74MPa,弹性模量为0.054GPa。

氨基磺酸盐体系制备多孔镍

采用氨基磺酸盐体系在碳骨架上制备了多孔镍。观察了多孔镍的表面形貌和断口形貌,并测试了多孔镍的孔隙率和压缩性能。结果表明:原始碳骨架的孔隙率为93.0%,经过电沉积之后孔隙率减小了6.0%~11.2%;氨基磺酸盐体系所得多孔镍的最高抗压强度是硫酸盐体系所得多孔镍的最高抗压强度的9.37倍;氨基磺酸盐体系所得多孔镍断口为三角形断口,断口镀层较厚且均匀,镀层中间未见裂纹。

孔径分布对多孔镍孔体积分形维数的影响

用压汞法对用粉末冶金法制备的多孔镍试件进行了测试,得到了多孔镍试件的孔隙率及孔径分布曲线,并以Menger海绵体模型为基础,根据压汞实验数据确定了多孔镍试件的孔体积分形维数,发现多孔镍的孔隙结构具有明显的分形特征,分形维数在2.8～3.0之间。孔径分布范围越宽、平均孔径越大,孔体积分形维数越大。多孔镍的孔体积分形维数在一定程度上反映了多孔镍孔隙结构的均匀性及填充能力。

多孔镍毛细芯的制备及其力学性能

以羰基镍粉为原料,选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为造孔剂,采用粉末冶金方法制备孔结构和孔隙可控的多孔镍毛细芯。采用X射线衍射仪、扫描电镜和力学性能测试等检测手段对多孔镍的物相组成、孔隙特征和力学性能进行检测和分析。研究烧结温度、造孔剂PMMA含量和粒径对多孔镍的孔结构和力学性能的影响。结果表明,随烧结温度升高,多孔镍孔隙率减小,孔径变小,力学性能升高;随造孔剂PMMA含量和粉末粒径增大,孔隙率增加,孔径增大,力学性能下降。在烧结温度为800℃,PMMA体积分数为80%、粉末粒径为5μm条件下制备的多孔镍综合性能最佳,孔隙率为71.9%,平均孔径为2.37μm,抗弯强度和抗压强度分别为25.3 MPa和8.7 MPa。

基于纳米多孔镍铂与石墨烯复合材料构建的电化学传感器对多巴胺的检测

采用电弧熔炼-熔体快淬-脱合金的方法制备纳米多孔镍(NP-Ni),然后与H 2 PtCl 6溶液中的贵金属Pt通过简单的置换反应制得纳米多孔镍铂(NP-NiPt)。通过扫描电镜、透射电镜和X射线衍射等手段对NP-NiPt进行表征。将NP-NiPt与具有良好导电性和大比表面积的石墨烯(GR)材料复合,构建NP-NiPt/GR修饰玻碳电极(NP-NiPt/GR/GCE),并成功用于生物小分子多巴胺(DA)的电化学检测。将NP-NiPt/GR/GCE构建的电化学传感器与裸GCE、NP-Ni/GCE、GR/GCE和NP-NiPt/GCE相互对比,NP-NiPt/GR/GCE修饰电极具有最低的峰电位,较高的灵敏性、较好的重复性、再现性与选择性,其线性检测浓度范围为0.5~300μmol/L,检出限(S/N=3)达到0.41μmol/L。

多孔镍和多孔氧化镍在熔融碳酸盐中原位形变行为的研究

熔融碳酸盐燃料电池在开始运行初期,承受一定负荷的多孔镍在转化为多孔氧化镍阴极的过程中往往会受到较严重的形变破坏,对电池的使用性能和寿命造成不良影响.本文采用一套自行设计研制的LVDT位移测试系统,对多孔镍和多孔氧化镍在恒载荷下的形变行为进行初步研究.结果表明,加载下的多孔镍在熔融碳酸盐中进行原位氧化、锂化时其形变最为严重;而经预先氧化锂化的多孔镍在相同实验条件下形变相对较小.多孔氧化镍在不同实验条件下的形变总体上均不明显.研究结果对防止MCFC阴极材料的形变破坏有重要指导意义.

熔融碳酸盐燃料电池多孔镍阴极的制备及修饰

以羰基Ni粉为原料,加入造孔剂、增塑剂(PEG)和粘合剂(PVB)等充分混合制成Ni基体阴极素坯。将素坯在一定温度和气氛下烧结获得多孔镍基体阴极。采用XRD及SEM等技术对烧结后的多孔镍基阴极材料的成分及形貌等进行表征分析,筛选了较佳的造孔剂,并优化了烧结工艺,获得具有良好孔结构的多孔镍基体阴极材料。并进一步采用电泳沉积技术(EPD)对所制备的多孔镍基体阴极进行修饰,即在其表面沉积纳米颗粒层,获得的复合阴极材料保持了镍基体阴极的多孔结构且在模拟MCFC启动阶段运行条件下表现出良好的抗形变和抗溶解性能。

超便捷高表面积3D多孔镍的可控设计探究

基于优化的全新的电镀液:醋酸,硫酸镍和添加剂PEG4000,本文采用氢气泡模板法设计出了高比表面积的3D多孔镍薄膜。详细地探究了电流密度、镀液温度、沉积时间等工艺参数对多孔镍薄膜的空隙结构(比表面积,孔隙率)的影响规律。此外,采用场发射电子扫描显微镜对样品的微观结构进行分析,并证明样品具有良好且均匀性好的多孔性,孔壁内存在大量空隙,以及比表面积高达138 cm^2/mg。

多孔镍阴极在碱性介质中释氢性能的研究

本文研究了用电镀法制备的各种多孔镍电极的镍锌含量、lg|i|、电极表面积及其在碱性介质中释氢过电位之间的关系。实验结果表明,用电镀法制得的多孔镍电极释氢过电位明显降低(>200mV),塔菲尔参数a、b值约为平滑镍电极的1/2,电极表面涂层是分散均匀的多晶微粒。

造孔剂含量对粉末轧制制备多孔镍板性能的影响

实验以碳酸氢铵(NH4HCO3)为造孔剂,通过粉末轧制技术制备了孔隙率为22.2%~52.4%的多孔镍板。研究了造孔剂含量对多孔镍板组织性能的影响。结果表明:随着造孔剂含量的增加,多孔镍板的孔隙率逐渐增大,相对透气系数也逐渐增大,而抗拉强度逐渐降低。当造孔剂含量为20%时,多孔镍板的孔隙率为40.7%,相对透气系数为10.79 m^(3)/(h·kPa·m^(2)),抗拉强度为135 MPa;当造孔剂含量为40%时,多孔镍板的孔隙率为52.4%,相对透气系数为41 m^(3)/(h·kPa·m^(2)),抗拉强度降低至51 MPa。