綜合實驗講義

1、綜合實驗講義實驗名稱實驗1：PbSbO2Cl的水熱合成及分析（實驗報告1）實驗2：PbSbO2Cl的電化學(xué)儲能問題研究（實驗報告2）實驗?zāi)康?通過本實驗研究，旨在進一步鞏固和加強學(xué)生在基礎(chǔ)化學(xué)相關(guān)課程所學(xué)的基本知識和技能，拓寬學(xué)生的知識面，特別是掌握水熱合成原理及其技術(shù)特點，了解納米材料在能源領(lǐng)域中的應(yīng)用；同時培養(yǎng)學(xué)生綜合運用物理化學(xué)、無機化學(xué)、有機化學(xué)和分析化學(xué)等實驗技能、以及解決實際化學(xué)問題的能力、查閱文獻資料的能力、設(shè)計實驗的能力、熟練操作和使用分析儀器的能力。實驗原理 水熱合成原理如圖1所示：圖1水熱合成原理例如，碳球的水熱合成：在反應(yīng)的最初階段，葡萄糖會通過一系列聚合反應(yīng)形成一些芳香

2、族化合物和寡聚糖，此時溶液會變成紅色，同時粘度略有增加。當(dāng)溶液達到臨界過飽和度的時候，線狀或者枝狀的寡聚糖、或者帶羧酸基的大分子，將進行分子間脫水，相互交連而碳化并團聚成球。在本實驗中，以氯化銻、硝酸鉛為原料獲得PbSbO2Cl。納米材料的儲能原理如圖2：圖2材料的儲能原理圖2是以金屬鋰為負極，層狀材料為正極的鋰離子電池工作原理示意圖，在放電時，鋰離子從金屬鋰上被釋放，通過電解液中的遷移，運動到層狀材料的表面并嵌入到層狀材料結(jié)構(gòu)中，這樣子層狀材料將鋰儲存起來，這就是材料能量存儲的一個過程。實驗內(nèi)容與方法u 樣品制備基本步驟（實驗1）：將氯化銻（15g）和硝酸鉛以摩爾比1:1溶于蒸餾水中，滴加氨

3、水使得溶液沉淀完全。然后將所得溶液倒入水熱釜（100ml或15ml）中，反應(yīng)溫度保持在150，時間為10-15小時。反應(yīng)完成后自然冷卻到室溫，接著將得到的產(chǎn)物進行離心分離，分別用水和乙醇分別進行多次洗滌，然后將產(chǎn)物置于80烘箱中，烘4-8小時后得到樣品。u 紅外測試的基本步驟（實驗1）： 將少量樣品與無水溴化鉀以質(zhì)量比約1:200在瑪瑙研缽中混合均勻，并將混合后的樣品放入紅外模具，在油壓機上以10-15 MPa壓制成厚度為1 mm左右的透明薄片，再將所得的透明薄片在紅外分析儀上測試，同時扣除背景信息，所得為樣品的紅外譜圖。u X射線粉末衍射測試的基本步驟（實驗1）： 將樣品放入玻璃樣品架內(nèi)槽，

4、使得樣品填滿內(nèi)槽，然后將玻璃樣品架放置在X射線衍射儀上進行測試，在10-80度范圍內(nèi)對所得的樣品進行物相鑒定。 u 儲能問題研究（實驗2）：² 電池裝配與制造將樣品、導(dǎo)電碳黑和粘接劑以質(zhì)量比4:1:1在瑪瑙研缽中研磨混合均勻，然后滴加N甲基吡咯烷酮，混合均勻后涂覆在銅箔上，接著在100下烘6h，冷卻后取出裁剪成直徑為15mm的圓片，并稱量其重量（注意：還需稱量空白銅圓片的質(zhì)量）。將圓片電極放入到扣式電池殼中，然后放入二層隔膜，并滴加8-10滴電解液，再放置金屬鋰片，然后在電池封裝機上進行封裝。² 電化學(xué)分析將新組裝的扣式電池在電化學(xué)工作站上測試其開路電位，然后設(shè)置參數(shù)測量并

5、記錄扣式電池的初始電壓、初始阻抗（交流阻抗技術(shù)）。再者，將電池放置到電池測試系統(tǒng)上進行充放電測試，考察材料的儲能特性，充放電實驗結(jié)束之后，再將測量電池的阻抗，分析電池充放電前后的阻抗變化。附錄.紅外光譜 技術(shù) (FTIR)獲得信息、 獲得方法以及注意要點：（1） 化學(xué)組成。通過有機官能團的特征峰判斷。（2） 原子或基團的相互作用。根據(jù)特征峰的位移、相對強度的變化或者新峰的出現(xiàn)來判斷。（3） 局部組成分析。利用顯微紅外光譜技術(shù)。FTIR相關(guān)實驗技術(shù)注意事項：（1） FTIR可以研究氣體、液體，固體。不同研究，需要不同的樣品池或樣品架。（2） FTIR有透射模式、吸收模式及反射模式(ATR)。前者

6、居多。（3） 在研究液體時，需使用合適的光學(xué)池。該池的透光范圍及溶解度能滿足研究要求。具體參見近代傅立葉紅外光譜技術(shù)及應(yīng)用（上）一書。（4） 固體樣品一般采用KBr壓片法。對于空氣敏感的樣品須在手套箱中操作。壓制的KBr片必須透明，均勻， 沒有白點。即使在空氣中壓片，環(huán)境濕度超過70%，KBr片的吸水將會對譜圖帶來較大影響。在將樣品與KBr混和研磨時，一定要研磨均勻，材料的粒度應(yīng)小于5微米。視樣品的顏色，確定混和的比例，一般為3%左右。（5） 普通的FTIR技術(shù)的波長范圍為4000-400 cm-1。遠紅外實驗（400-10cm-1）以及近紅外（10000-4000cm-1）由專門儀器完成。（

7、6） 在某些FTIR儀器上， 配備了N2氣及抽真空裝置，變溫裝置，或者為顯微紅外儀，或者有GC-FTIR, TG-DSC-FTIR聯(lián)用技術(shù)，實驗前可以詢問儀器負責(zé)人，設(shè)計有關(guān)實驗。（7） FTIR數(shù)據(jù)的信噪比與制樣、譜儀狀態(tài)、掃描次數(shù)、每次積分時間、功率有關(guān)，實驗前及實驗時需考慮清楚，如何獲得高質(zhì)量的FTIR譜。（8） 無機物的特征峰一般在低于1000cm-1, 特別是遠紅外區(qū)域出現(xiàn)。而聚合物峰，復(fù)雜組份的有機物，F(xiàn)TIR的辨識能力有限，在實驗前應(yīng)設(shè)計好實驗，考慮聯(lián)用技術(shù)或降低樣品的復(fù)雜程度。（9） 與此類似，研究體系中組成之間的相互作用時，應(yīng)盡可能使樣品中所關(guān)心的成份占主要部份。通過仔細設(shè)計

8、實驗，可以定量判斷一系列材料中相互作用變化的規(guī)律、配位情況的變化規(guī)律等深入的信息。（10） 實驗后，將儀器設(shè)備名稱、實驗條件、樣品編號、文件編號、操作人聯(lián)系方式、實驗中遇到的一些現(xiàn)象記錄在記錄本上，作為原始記錄。.電化學(xué)阻抗譜測試及其數(shù)據(jù)保存注意：電池裝配好后，請放置4小時以上，再進行電化學(xué)阻抗譜測試及電池循環(huán)測試。電池循環(huán)前和循環(huán)后各進行一次電化學(xué)阻抗譜測試，并分別記錄。線路連接：使用電化學(xué)工作站時，將綠色夾子+黑色夾子那一組夾子連接到電極片所在的那一端（即為待測電極一端，綠色夾子夾待測電極），另一組夾子連接到電池的另外一端（白色夾子夾鋰片那端）。1. 打開電腦及電化學(xué)工作站，雙擊打開CHI

9、660D軟件，在控制的一欄里選擇“開路電位”，測試并記錄這個數(shù)值；（如果得到的開路電位小于2.0V，說明電池已部分短路）如圖2. 然后，點擊確定，再選擇圖標“T”， 進入以下界面，接著，選擇“交流阻抗”這一項， 確定后，得到如下界面：在第一欄“初始電平”中輸入剛才所記錄的開路電壓值。電化學(xué)阻抗譜測試一般是在頻率范圍100000Hz（高頻）-0.01Hz（低頻）內(nèi)進行的，因此，要確認頻率的范圍，特別是第三行（低頻），如果數(shù)值是1，請更改為0.01Hz，然后確定；3. 設(shè)置完成后，請確認，再點擊“三角圖標”開始測試；4. 測試完成后，保存數(shù)據(jù)時，請注意，如果是未充放電的電池，請保存的時候注明循環(huán)前

10、，如前面侯璐的樣品，剛剛組裝好電池，測完了電化學(xué)阻抗譜，要存盤，那就可以命名為：20110403-HL-LiVPO4F-hydrothermal-EIS-before cycle，或20110423-HL-LiVPO4F-水熱-阻抗-循環(huán)前，或20110423-HL-LiVPO4F-XXX-XXX等等。備注：EIS是電化學(xué)阻抗譜的英文縮寫。5. 測試完成后，關(guān)閉電化學(xué)工作站和電腦。.電池測試軟件操作注意：電池裝配好后，請放置4小時以上，再進行電化學(xué)阻抗譜測試及電池循環(huán)測試。注意：電池測試時，應(yīng)選用無人使用的空測試通道，并確認他人數(shù)據(jù)已保存；如沒有空的測試通道，可以選用已經(jīng)完成的測試通道，但是在

11、使用前請注意，必須保存這個通道的數(shù)據(jù)（參照數(shù)據(jù)保存部分）。線路連接：電池連接時，紅色夾子（紅色夾子夾電極部分）組連接電極片所在的一端（通常是底座部分），黑色夾子（黑色夾子夾鋰片部分）組連接另外一端，確保夾子與電池的接觸良好。同時，在記事本上記錄你所使用的測試通道機器臺號、通道號碼和測試條件等。另外，每一種樣品必須同時測試兩個電池，以便獲取樣品測試的可靠性信息。測試軟件使用時，其界面如下：如上圖，鼠標右鍵，選擇“啟動”，進入后，得到以下畫面：然后鼠標左鍵點擊，當(dāng)前過程一欄中藍色字體“l(fā)y2”，進入下一界面：首先請點擊“過程名稱”欄，如下界面：進行“過程名稱”及其他信息的修改編輯：樣品測試名稱及參

12、數(shù)信息：1. 過程名稱中請?zhí)顚憸y試者的姓名，如侯璐；2. 簡要說明中，請?zhí)顚憳悠访Q：如20110423-HL-LiVPO4F-hydrotherma；質(zhì)量，如10mg；測試電流密度，如10mA/g，樣品的其他信息，如合成條件，某某前驅(qū)體的比例是1：1，等等信息，編輯后得到如下的界面：然后，點擊“主參數(shù)設(shè)置”，進入下一界面：進行測試參數(shù)的設(shè)置：如果你所合成的材料為含鋰元素的正極材料，先進行恒流充電測試；如果你所合成的材料為負極材料或不含鋰元素的正極材料，先進行恒流放電測試。恒流充電時，“結(jié)束條件1”必須是“電壓某數(shù)值”；恒流放電時，“結(jié)束條件1”必須是“電壓某數(shù)值”。其他參數(shù)條件請根據(jù)自己的樣

13、品來進行設(shè)置，接著點擊確定，進入下一界面：接著，點擊“啟動”，測試開始進行。接著，選擇同一通道鼠標右鍵點擊，出現(xiàn)下一界面：選擇“活性物質(zhì)參數(shù)”，在下面的畫面中第一欄輸入凈的活性物質(zhì)質(zhì)量（須扣除鋁箔、銅箔、炭黑和PVDF的質(zhì)量），單位為mg。如果發(fā)現(xiàn)測試參數(shù)設(shè)置錯誤，請鼠標右鍵點擊此通道，然后選擇“停止”或“過程參數(shù)重置”來變更參數(shù)設(shè)置（與基本參數(shù)設(shè)置步驟相同），設(shè)置完成后，要點擊“確定”或“重置”。.電池測試數(shù)據(jù)的保存a. 自己測試數(shù)據(jù)的保存請參照樣品的命名來保存，如你是第一次使用測試系統(tǒng)，請在電腦中新建你自己名字命名的文件夾b. 他人測試數(shù)據(jù)的保存遇到其他人測試完成，但是電池還留在通道上，所

14、以你不能確認他的數(shù)據(jù)是否保存，然而，你如果要使用此通道，必須先保存他的數(shù)據(jù)，操作如下：1. 對于已知的測試者，請保存到他自己的文件夾內(nèi)；2. 對于未知的測試者，請保存到待認領(lǐng)文件夾；3. 命名請統(tǒng)一采用“保存當(dāng)天的時間-通道名稱-姓名（如果過程名稱中有的話）”，如2011年4月23日，你要使用005號機器的CH8通道，請保存為20110423-005-8-XXX。4. 此外，對于這個通道上拆卸下來的電池，請裝入一個塑料袋中并貼上標簽命名為20110423-005-8-XXX。.電池測試過程中或結(jié)束時數(shù)據(jù)的查看在測試系統(tǒng)軟件中，注意到測試界面，如果你的測試正在進行，如009-6通道，你需要查看這個通道的測試情況，請右鍵點擊，選擇“打開數(shù)據(jù)”：然后，進入到下面的界面，在這個界面中，需要查看曲線的狀態(tài)，一般我們右鍵點擊，選擇“曲線設(shè)置”，進入下一界面：在這一畫面中，如果我們選擇X坐標為“比容