综合实验讲义

1、综合实验讲义实验名称实验1：PbSbO2Cl的水热合成及分析（实验报告1）实验2：PbSbO2Cl的电化学储能问题研究（实验报告2）实验目的 通过本实验研究，旨在进一步巩固和加强学生在基础化学相关课程所学的基本知识和技能，拓宽学生的知识面，特别是掌握水热合成原理及其技术特点，了解纳米材料在能源领域中的应用；同时培养学生综合运用物理化学、无机化学、有机化学和分析化学等实验技能、以及解决实际化学问题的能力、查阅文献资料的能力、设计实验的能力、熟练操作和使用分析仪器的能力。实验原理 水热合成原理如图1所示：图1水热合成原理例如，碳球的水热合成：在反应的最初阶段，葡萄糖会通过一系列聚合反应形成一些芳香

2、族化合物和寡聚糖，此时溶液会变成红色，同时粘度略有增加。当溶液达到临界过饱和度的时候，线状或者枝状的寡聚糖、或者带羧酸基的大分子，将进行分子间脱水，相互交连而碳化并团聚成球。在本实验中，以氯化锑、硝酸铅为原料获得PbSbO2Cl。纳米材料的储能原理如图2：图2材料的储能原理图2是以金属锂为负极，层状材料为正极的锂离子电池工作原理示意图，在放电时，锂离子从金属锂上被释放，通过电解液中的迁移，运动到层状材料的表面并嵌入到层状材料结构中，这样子层状材料将锂储存起来，这就是材料能量存储的一个过程。实验内容与方法u 样品制备基本步骤（实验1）：将氯化锑（15g）和硝酸铅以摩尔比1:1溶于蒸馏水中，滴加氨

3、水使得溶液沉淀完全。然后将所得溶液倒入水热釜（100ml或15ml）中，反应温度保持在150，时间为10-15小时。反应完成后自然冷却到室温，接着将得到的产物进行离心分离，分别用水和乙醇分别进行多次洗涤，然后将产物置于80烘箱中，烘4-8小时后得到样品。u 红外测试的基本步骤（实验1）： 将少量样品与无水溴化钾以质量比约1:200在玛瑙研钵中混合均匀，并将混合后的样品放入红外模具，在油压机上以10-15 MPa压制成厚度为1 mm左右的透明薄片，再将所得的透明薄片在红外分析仪上测试，同时扣除背景信息，所得为样品的红外谱图。u X射线粉末衍射测试的基本步骤（实验1）： 将样品放入玻璃样品架内槽，

4、使得样品填满内槽，然后将玻璃样品架放置在X射线衍射仪上进行测试，在10-80度范围内对所得的样品进行物相鉴定。 u 储能问题研究（实验2）：² 电池装配与制造将样品、导电碳黑和粘接剂以质量比4:1:1在玛瑙研钵中研磨混合均匀，然后滴加N甲基吡咯烷酮，混合均匀后涂覆在铜箔上，接着在100下烘6h，冷却后取出裁剪成直径为15mm的圆片，并称量其重量（注意：还需称量空白铜圆片的质量）。将圆片电极放入到扣式电池壳中，然后放入二层隔膜，并滴加8-10滴电解液，再放置金属锂片，然后在电池封装机上进行封装。² 电化学分析将新组装的扣式电池在电化学工作站上测试其开路电位，然后设置参数测量并

5、记录扣式电池的初始电压、初始阻抗（交流阻抗技术）。再者，将电池放置到电池测试系统上进行充放电测试，考察材料的储能特性，充放电实验结束之后，再将测量电池的阻抗，分析电池充放电前后的阻抗变化。附录.红外光谱 技术 (FTIR)获得信息、 获得方法以及注意要点：（1） 化学组成。通过有机官能团的特征峰判断。（2） 原子或基团的相互作用。根据特征峰的位移、相对强度的变化或者新峰的出现来判断。（3） 局部组成分析。利用显微红外光谱技术。FTIR相关实验技术注意事项：（1） FTIR可以研究气体、液体，固体。不同研究，需要不同的样品池或样品架。（2） FTIR有透射模式、吸收模式及反射模式(ATR)。前者

6、居多。（3） 在研究液体时，需使用合适的光学池。该池的透光范围及溶解度能满足研究要求。具体参见近代傅立叶红外光谱技术及应用（上）一书。（4） 固体样品一般采用KBr压片法。对于空气敏感的样品须在手套箱中操作。压制的KBr片必须透明，均匀， 没有白点。即使在空气中压片，环境湿度超过70%，KBr片的吸水将会对谱图带来较大影响。在将样品与KBr混和研磨时，一定要研磨均匀，材料的粒度应小于5微米。视样品的颜色，确定混和的比例，一般为3%左右。（5） 普通的FTIR技术的波长范围为4000-400 cm-1。远红外实验（400-10cm-1）以及近红外（10000-4000cm-1）由专门仪器完成。（

7、6） 在某些FTIR仪器上， 配备了N2气及抽真空装置，变温装置，或者为显微红外仪，或者有GC-FTIR, TG-DSC-FTIR联用技术，实验前可以询问仪器负责人，设计有关实验。（7） FTIR数据的信噪比与制样、谱仪状态、扫描次数、每次积分时间、功率有关，实验前及实验时需考虑清楚，如何获得高质量的FTIR谱。（8） 无机物的特征峰一般在低于1000cm-1, 特别是远红外区域出现。而聚合物峰，复杂组份的有机物，FTIR的辨识能力有限，在实验前应设计好实验，考虑联用技术或降低样品的复杂程度。（9） 与此类似，研究体系中组成之间的相互作用时，应尽可能使样品中所关心的成份占主要部份。通过仔细设计

8、实验，可以定量判断一系列材料中相互作用变化的规律、配位情况的变化规律等深入的信息。（10） 实验后，将仪器设备名称、实验条件、样品编号、文件编号、操作人联系方式、实验中遇到的一些现象记录在记录本上，作为原始记录。.电化学阻抗谱测试及其数据保存注意：电池装配好后，请放置4小时以上，再进行电化学阻抗谱测试及电池循环测试。电池循环前和循环后各进行一次电化学阻抗谱测试，并分别记录。线路连接：使用电化学工作站时，将绿色夹子+黑色夹子那一组夹子连接到电极片所在的那一端（即为待测电极一端，绿色夹子夹待测电极），另一组夹子连接到电池的另外一端（白色夹子夹锂片那端）。1. 打开电脑及电化学工作站，双击打开CHI

9、660D软件，在控制的一栏里选择“开路电位”，测试并记录这个数值；（如果得到的开路电位小于2.0V，说明电池已部分短路）如图2. 然后，点击确定，再选择图标“T”， 进入以下界面，接着，选择“交流阻抗”这一项， 确定后，得到如下界面：在第一栏“初始电平”中输入刚才所记录的开路电压值。电化学阻抗谱测试一般是在频率范围100000Hz（高频）-0.01Hz（低频）内进行的，因此，要确认频率的范围，特别是第三行（低频），如果数值是1，请更改为0.01Hz，然后确定；3. 设置完成后，请确认，再点击“三角图标”开始测试；4. 测试完成后，保存数据时，请注意，如果是未充放电的电池，请保存的时候注明循环前

10、，如前面侯璐的样品，刚刚组装好电池，测完了电化学阻抗谱，要存盘，那就可以命名为：20110403-HL-LiVPO4F-hydrothermal-EIS-before cycle，或20110423-HL-LiVPO4F-水热-阻抗-循环前，或20110423-HL-LiVPO4F-XXX-XXX等等。备注：EIS是电化学阻抗谱的英文缩写。5. 测试完成后，关闭电化学工作站和电脑。.电池测试软件操作注意：电池装配好后，请放置4小时以上，再进行电化学阻抗谱测试及电池循环测试。注意：电池测试时，应选用无人使用的空测试通道，并确认他人数据已保存；如没有空的测试通道，可以选用已经完成的测试通道，但是在

11、使用前请注意，必须保存这个通道的数据（参照数据保存部分）。线路连接：电池连接时，红色夹子（红色夹子夹电极部分）组连接电极片所在的一端（通常是底座部分），黑色夹子（黑色夹子夹锂片部分）组连接另外一端，确保夹子与电池的接触良好。同时，在记事本上记录你所使用的测试通道机器台号、通道号码和测试条件等。另外，每一种样品必须同时测试两个电池，以便获取样品测试的可靠性信息。测试软件使用时，其界面如下：如上图，鼠标右键，选择“启动”，进入后，得到以下画面：然后鼠标左键点击，当前过程一栏中蓝色字体“ly2”，进入下一界面：首先请点击“过程名称”栏，如下界面：进行“过程名称”及其他信息的修改编辑：样品测试名称及参

12、数信息：1. 过程名称中请填写测试者的姓名，如侯璐；2. 简要说明中，请填写样品名称：如20110423-HL-LiVPO4F-hydrotherma；质量，如10mg；测试电流密度，如10mA/g，样品的其他信息，如合成条件，某某前驱体的比例是1：1，等等信息，编辑后得到如下的界面：然后，点击“主参数设置”，进入下一界面：进行测试参数的设置：如果你所合成的材料为含锂元素的正极材料，先进行恒流充电测试；如果你所合成的材料为负极材料或不含锂元素的正极材料，先进行恒流放电测试。恒流充电时，“结束条件1”必须是“电压某数值”；恒流放电时，“结束条件1”必须是“电压某数值”。其他参数条件请根据自己的样

13、品来进行设置，接着点击确定，进入下一界面：接着，点击“启动”，测试开始进行。接着，选择同一通道鼠标右键点击，出现下一界面：选择“活性物质参数”，在下面的画面中第一栏输入净的活性物质质量（须扣除铝箔、铜箔、炭黑和PVDF的质量），单位为mg。如果发现测试参数设置错误，请鼠标右键点击此通道，然后选择“停止”或“过程参数重置”来变更参数设置（与基本参数设置步骤相同），设置完成后，要点击“确定”或“重置”。.电池测试数据的保存a. 自己测试数据的保存请参照样品的命名来保存，如你是第一次使用测试系统，请在电脑中新建你自己名字命名的文件夹b. 他人测试数据的保存遇到其他人测试完成，但是电池还留在通道上，所

14、以你不能确认他的数据是否保存，然而，你如果要使用此通道，必须先保存他的数据，操作如下：1. 对于已知的测试者，请保存到他自己的文件夹内；2. 对于未知的测试者，请保存到待认领文件夹；3. 命名请统一采用“保存当天的时间-通道名称-姓名（如果过程名称中有的话）”，如2011年4月23日，你要使用005号机器的CH8通道，请保存为20110423-005-8-XXX。4. 此外，对于这个通道上拆卸下来的电池，请装入一个塑料袋中并贴上标签命名为20110423-005-8-XXX。.电池测试过程中或结束时数据的查看在测试系统软件中，注意到测试界面，如果你的测试正在进行，如009-6通道，你需要查看这个通道的测试情况，请右键点击，选择“打开数据”：然后，进入到下面的界面，在这个界面中，需要查看曲线的状态，一般我们右键点击，选择“曲线设置”，进入下一界面：在这一画面中，如果我们选择X坐标为“比容