粒度对块状纳米电极的电化学性质的影响

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由纳米电极材料构成的电极(电池)具有很好的电化学性能,其放电容量增大,电化学活性增强,循环稳定性改善。电池的电化学性能是由电极的电化学性质决定的,但是目前关于电极材料的分散度对其电化学性质影响的理论研究还不完善,关于粒度对纳米电极的电化学性质的影响规律的实验研究也未见报道。本论文将首先从理论上推导电极电势、电极温度系数以及电极反应的热力学函数等电化学性质与粒径的关系;然后通过实验研究纳米氧化银电极和纳米银电极的电化学性质。理论上通过在电极(电池)反应的吉布斯函数中引入界面变量,根据摩尔反应吉布斯函数与电极电势的关系导出电极电势与粒径的热力学关系式;在此基础上导出电极温度系数以及电极反应的热力学函数分别与粒径的关系式,分析讨论了纳米电极材料分别作为电极反应的反应物和产物时的电化学性质随粒径的变化规律。实验部分选择纳米氧化银电极和纳米银电极为研究体系。首先制备纳米电极材料:以硝酸银为原料,氢氧化钾为沉淀剂,采用有机聚合物分散剂法制备纳米氧化银;以硝酸银为原料,双氧水为还原剂,采用化学还原法制备纳米银;通过控制反应温度、反应物浓度、滴加顺序等条件制备不同粒径的纳米颗粒。然后通过XRD测试、EDS能谱分析、TG/DTG分析和TEM观察对制备的纳米粒子的粒径、晶型、纯度和形貌进行了表征。最后将纳米电极材料制成块状纳米电极,通过对消法测量其电极电势。通过测量不同平均粒径纳米粒子构成的块状纳米电极的电极电势得到粒径对纳米电极电势的影响规律;通过测量由不同粒径纳米粒子混合物制成的块状纳米电极的电极电势探讨不同粒径纳米粒子发生电极反应的顺序。在不同温度下测量了不同平均粒径的纳米氧化银电极的电极电势,通过分析电极电势与温度的关系,拟合求得纳米氧化银电极的温度系数,从而得到粒径对电极温度系数的影响规律。根据电极反应热力学函数与电极电势和电极温度系数的关系计算求得电极反应的热力学函数。其粒度对块状纳米电极的电化学性质影响规律的实验结果与理论分析一致。另外,实验还以不同扫描速率测试了不同纳米氧化银电极的循环伏安曲线,并对电极反应动力学进行了初步探讨。理论研究和实验结果表明:(1)采用有机聚合物分散剂法,可制备出平均粒径为12~60nm的纳米氧化银颗粒;采用化学还原法,可制备出平均粒径为26~58nm的纳米银颗粒。反应条件对纳米粒子的粒径有显著影响:随着反应温度的升高,所制备的纳米氧化银和纳米银的粒径增大;随着硝酸银浓度的增加,纳米颗粒粒径增大;另外,加入方式对纳米粒子的粒径也有影响,硝酸银滴加到氢氧化钠溶液中所制备的纳米氧化银的粒径较小。(2)构成电极的纳米粒子的粒度对其电极电势、电极温度系数和电极反应的热力学函数有显著的影响,作为电极反应物(如Ag2O)的纳米粒子的粒度越小,其电极电势和lnK(?)越大,而其电极温度系数、△rHm(?)、△rGm(?)、△rSm(?)越小;作为电极产物(如Ag)的纳米粒子的粒度越小,其电极电势和lnK(?)越小,而其电极温度系数、△rHm(?)、△rGm(?)、△rSm(?)越大;并且纳米电极的电极电势、电极温度系数、△H(?)m、△G(?)m、△S(?)m lnK(?)均分别与纳米粒子粒径的倒数均成线性关系。(3)粒度对纳米粒子参与电极反应的顺序有影响,较小粒径纳米粒子优先发生电极反应;由不均匀粒径的纳米氧化银混合物构成的块状纳米电极的电极电势逐渐降低。(4)构成电极的纳米粒子的粒度对其电极过程动力学也有显著影响,氧化银电极材料纳米化后,其电极反应过程由电化学反应步骤转化为扩散步骤控制;随着粒径的减小,其电极反应可逆性变差。
其他文献
以森田尼无核(Vitis vinifera L.cv.Centennial Seedless)为研究对象,在大田条件下,研究其在3个不同生长期光合、水分生理特性及果实产量品质对不同程度盐胁迫的响应。结果表明