低温熔盐中Mg基储氢合金的电沉积及其性能研究

论文摘要

镁基储氢合金以储氢量高、密度小、资源丰富与价格低廉等一系列优点,被认为是最具有开发前景的储氢材料之一。本文从尿素-乙酰胺-NaBr低温熔盐体系中电沉积了镁基合金,并研究了该合金电化学性能。本文的主要研究内容如下:1.研究了Ni（II）、Mg（II）及La（III）分别在尿素-乙酰胺（4.27 mol·L-1）-NaBr（1.40 mol·L-1）低温熔盐中的电化学行为,循环伏安实验证实Ni（II）在该熔盐体系中的还原是一步不可逆过程,并计算了Ni（II）电还原的扩散系数D0 = 2.03×10-7 cm2·s-1和电荷传递系数α=0.42。研究发现Mg（II）和La（III）无法单独在该熔盐体系中还原析出。用计时电流曲线来表征成核过程,结果表明Ni（II）的还原是瞬间三维成核过程,并计算Ni（II）电还原的扩散系数D0 = 9.09×10-7 cm2·s-1。2.研究了Mg（II）、La（III）与Ni（II）在尿素-乙酰胺-NaBr低温熔盐体系中的共沉积行为。从循环伏安实验和对沉积膜的EDS检测发现,Ni-La、Ni-Mg及Ni-Mg-La合金可以在该体系中共沉积出来,并且是分步还原。本文用多核络合物中间体来解释上述合金的共沉积的机理。3.利用恒电位和恒电流方法制备了Ni-La、Ni-Mg及Ni-Mg-La合金薄膜。研究了沉积电位、阴极电流密度及主盐浓度比对沉积膜组成的影响。用能谱（EDS）、扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析了镀层结构和表面形貌。结果表明,电沉积得到的合金膜均为含非晶的多相结构。4.所制备的薄膜合金的最大放电容量和电极充放电循环稳定性顺序为:Ni-Mg-La﹥Ni-La﹥Ni-Mg。不同的合金膜电极循环伏安曲线氧化峰电流均随扫描次数增加而减小;电极放电容量越大,其循环伏安曲线氧化峰面积越大,峰电流越高。速度扫描实验表明,合金膜电极氧化峰电流与扫描速度的平方根成线性关系,说明储氢电极反应是受氢的扩散所控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 储氢合金电极的电化学原理
• 1.3 镍-金属氢化物（Ni/MH）电池
• 1.4 镍-金属氢化物（Ni/MH）电池负极材料
• 1.4.1 镍-金属氢化物（Ni/MH）电池负极材料储氢合金的性能要求
• 1.4.2 镁基合金作为镍-金属氢化物电池负极储氢合金材料的特点
• 1.5 镁基贮氢合金的制备
• 1.5.1 高温熔炼法
• 1.5.2 扩散法
• 1.5.3 氢化燃烧法
• 1.5.4 机械合金化法
• 1.6 电沉积镁及其合金的历史回顾和研究现状
• 1.6.1 电沉积的基本概念
• 1.6.2 合金电沉积基本原理
• 1.6.3 合金电沉积的分类
• 1.6.4 镁及其合金电沉积的历史回顾和研究现状
• 1.7 本论文研究的目的、主要内容和意义
• 第二章 实验与方法
• 2.1 试剂和仪器
• 2.1.1 主要试剂
• 2.1.2 主要仪器及型号
• 2.2 电极及前处理
• 2.3 熔盐的制备
• 2.4 实验环境的实现
• 2.5 实验内容
• 2.5.1 循环伏安曲线（CV 曲线）的测量
• 2.5.2 电势阶跃（计时电流）曲线
• 2.5.3 差示扫描量热法（DSC）
• 2.5.4 真空热处理
• 2.5.5 扫描电镜（SEM）实验和能谱（EDS）实验
• 2.5.6 X 射线衍射测试（XRD）
• 2.5.7 电化学检测
• 第三章 Ni（II）、Mg（II）及La（III）离子分别在低温熔盐中的电化学行为
• 3.1 尿素-乙酰胺-NABR 低温熔盐中Ni（II）的电化学行为研究
• 3.1.1 不同扫描速率下Ni（II）的循环伏安曲线
• 3.1.2 Ni （II）的计时电流曲线及电化学成核
• 3.2 Mg（Ⅱ）及La（Ⅲ）离子在低温熔盐中的电化学行为
• 3.3 本章小结
• 第四章 La（III）、Mg（II）与Ni（II） 离子的共沉积
• 4.1 Ni（II）与La（III）在低温熔盐中的共沉积研究
• 4.1.1 Ni（II）与La（III）在低温熔盐中的电化学行为
• 4.1.2 恒电流共沉积Ni-La 合金
• 4.1.3 恒电位共沉积Ni-La 合金
• 4.2 Ni（II）与Mg（II）在低温熔盐中的共沉积研究
• 4.2.1 Ni（II）与Mg（II）在低温熔盐中的电化学行为
• 4.2.2 恒电流共沉积Ni-Mg 合金
• 4.2.3 恒电位共沉积Ni-Mg 合金
• 4.3 La（III）、Mg（Ⅱ）与Ni（Ⅱ） 在低温熔盐中的共沉积研究
• 4.3.1 La（III）、Mg（Ⅱ）与Ni（Ⅱ） 在低温熔盐中的电化学行为
• 4.3.2 恒电流共沉积Ni-Mg-La 合金
• 4.3.3 恒电位共沉积Ni-Mg-La 合金
• 4.4 共沉积理论的讨论
• 第五章 合金薄膜的结构表征及其晶化行为研究
• 5.1 Ni-La 合金薄膜的结构表征及其晶化行为研究
• 5.1.1 Ni-La 合金薄膜的结构表征
• 5.1.2 Ni-La 合金薄膜的晶化行为研究
• 5.2 Ni-Mg 合金薄膜的结构表征及其晶化行为研究
• 5.2.1 Ni-Mg 合金薄膜的结构表征
• 5.2.2 Ni-Mg 合金薄膜的晶化行为研究
• 5.3 Ni-Mg-La 合金薄膜的结构表征及其晶化行为研究
• 5.3.1 Ni-Mg-La 合金薄膜的结构表征
• 5.3.2 Ni-Mg-La 合金薄膜的晶化行为研究
• 第六章 合金薄膜的电化学性能研究
• 6.1 合金薄膜电极的放电行为研究
• 6.1.1 Ni-La 合金薄膜电极的放电容量研究
• 6.1.2 Ni-Mg 合金薄膜电极的放电容量研究
• 6.1.3 Ni-Mg-La 合金薄膜电极的放电容量研究
• 6.1.4 合金膜放电容量分析
• 6.2 合金薄膜电极在KOH 溶液中的循环伏安行为研究
• 6.2.1 合金薄膜电极在KOH 溶液中不同扫速时的循环伏安曲线
• 6.2.2 合金薄膜电极在KOH 溶液中的连续扫描伏安曲线
• 6.2.3 储氢电极反应机理的探讨
• 参考文献
• 硕士研究生在读期间发表的论文
• 致谢