“挑战杯”申报书填写参考范本

1、挑战杯”申报书填写参考范本(自然科学类)基于镍氢电池用高性能多相纳米氢氧化镍制备及极片工艺研究项目名称：基于镍氢电池用高性能多相纳米氢氧化镍制备及极片工艺研究来源：第十二届挑战杯作品小类：能源化工大类：自然科学类学术论文简介：氢氧化镍是镍氢电池的正极材料，镍氢电池是绿色环保安全性能高的电池。本作品采用加超声 波的沉淀法制备出Y、Co或La掺杂的a和B相混合结构的纳米Ni(OH)2,系统研究Y或Co掺 杂比例、超声波功率、溶液pH值、缓冲剂及反应物Ni2+浓度对材料结构、微观形貌、粒径及 电化学性能的影响。将样品以 8%比例掺入到工业用微米级球镍中制成复合电极,其电极的最大 放电比容量比同类研究

2、高2080mAh/g。详细介绍：镍氢电池是绿色环保安全性能高的电池，它是我国实施新能源战略的电动汽车、混合动力车的 首选电源。氢氧化镍(Ni(OH)2)是镍氢电池正极材料，纳米氢氧化镍因其高活性将对镍氢电池容 量产生重要影响。本作品研究纳米Ni(OH)2的制备工艺和极片制作工艺，制得了性能优异的多相 纳米Ni(OH)2,其电极比容量最高达到370mAh/g,比目前市售镍氢电池比容量(230-250mAh/g) 高约50%,比同类研究高2080mAh/g,并优化出一套科学合理的制极片工艺，因此本作品具 有重大实际意义和应用价值。作品相关内容已申请发明专利2项(第一发明人)，发表或录用 第一作者论

3、文5篇，其中SCI和EI收录期刊各2篇，ISTP收录1篇，主要研究内容分以下几 个方面：一、采用超声波沉淀法通过掺杂稀土 Y合成了 a和B相混合结构的纳米Ni(OH)2,用 XRD、激光粒度仪、TEM、电化学工作站、电池性能测试仪对样品进行了系列测试，系统研究了 Y掺杂比例、超声波功率和溶液pH值对材料结构、粒径、微观形貌及电化学性能的影响。结果 表明：混合相结构中a- Ni(OH)2所占比例随Y掺杂量和功率增大均先增加后减少，粒径先减小 后增大，平均粒径在5080 nm之间；随着超声波功率的增大，颗粒从片状向针状转化，且一 次颗粒变小；溶液pH值对Ni(OH)2晶相形成起重要作用，晶粒粒径随

4、pH值增大而增大，一次 颗粒由准球状变为针状；将样品分别以8wt.%掺入到工业用微米级球镍中制成复合电极，其电 极的放电比容量随Y掺杂量和功率增大均先提高后下降，Y含量为1.17Wt.%的电极可逆性和 充电效率达到最佳，放电比容量达到最大，0.1C和0.5C倍率下的比容量分别达到370mAh/g 和358mAh/g。二、采用上述同样的方法制备了稀土 La掺杂的混合相纳米Ni(OH)2,与同样条 件下的Y掺杂样品形貌和性能进行了比较。结果表明，前者为准球状，后者为针状，以同样比 例(8%质量分数)与工业用微米级球镍混合制成复合电极，La掺杂样品的电极放电比容量比Y 掺杂样品的电极低76mAh/g

5、,只有282mAh/g，但比纯球镍电极高46.7mAh/g。三、采用超声波沉淀法制备了 Co掺杂纳米氢氧化镍，研究了掺杂比例、缓冲剂及反应物Ni2+浓度对Ni(OH)2 的晶相结构、粒径及电化学性能的影响。结果表明，不同Co掺杂比例的样品均为a和B混合 相结构，其a-Ni(OH)2所占比重随掺杂比例增大先增加后减小；缓冲剂无水碳酸钠用量的增加 有利于改变样品晶相结构；较高的反应物浓度有利于a-Ni(OH)2的生成。将样品以8wt.%掺入 到工业用微米级球镍中制成复合电极，Co含量为0.85wt.%的电极0.5C倍率下放电比容量高达 347mAh/g，同样高于相关研究的比容量，且具有较低充电电压

6、和较高放电平台。四、发明了 一种实验室用模拟电池极片的制作方法，该方法将电池镍网基片直接浸入到已经混合均匀的浆 料中，通过浆料对基片的浸润作用使浆料均匀分布在基片上。与传统手工涂片工艺相比，本发 明浸润制极片工艺不但操作简单，更重要的是能使活性物质和粘结剂分布均匀，达到不易掉粉 的目的，从而延长电极寿命，提高电极放电比容量。作品专业信息撰写目的和基本思路研究目的是制备出高性能纳米氢氧化镍,并应用于提高镍氢电池的容量。撰写目的是通过作品撰写, 将得到的优化工艺展现出来与大家探讨,通过互相交流学习共同推进绿色电池工业的快速发展。基 本思路是针对纳米粉体易团聚现象,采取在通常沉淀法上加入超声波的方法

7、来提高粉体的分散性 和活性；针对a相氢氧化镍结构不稳定问题，选用掺杂的办法制备结构稳定的a和B相混合的纳 米氢氧化镍，使其放电比容量有较大提高。科学性、先进性及独特之处作品已申请3项发明专利。特点一是设计了超声波沉淀法制备样品，利用超声波和分散剂的双重 作用，使制得的纳米粉体比沉淀法分散性好活性高；特点二是制得结构稳定的混合相纳米氢氧化 镍，将其掺入到商用球镍中制成复合电极，使其既具有纳米颗粒的高活性和稳定性又具球镍的高 压实密度，从而使电极的放电比容量提高到370mAh/g，比纯球镍电极高出50%；特点三是发明 了浸润制极片工艺，克服了传统手工涂极片的不足。应用价值和现实意义镍氢电池是绿色环

8、保安全性能高的电池，研究纳米氢氧化镍的制备工艺并应用于提高镍氢电池比 容量具有重要的现实意义。本作品以小比例纳米样品掺入球镍中可大幅提高电池比容量的作法具 有实际应用价值，已与国内著名镍氢电池企业签订合作开发协议，开发内容为“基于动力镍氢电池 用高比容量纳米多相氢氧化镍正极材料的研发与应用”(附件 18)。本作品发明的湿法浸润工艺 为实验室研究提供一种简便科学有效的制极片方法。学术论文摘要作品研究纳米氢氧化镍的制备工艺和极片制作工艺，并将纳米材料应用于提高镍氢电池的容量。作品五位参赛者以第一发明人申请发明专利2项，发表或录用第一作者论文5篇，主要研究内容 为：论文1及专利1采用超声波沉淀法制备

9、钇掺杂多相纳米氢氧化镍，系统研究了钇比例对材料 结构、粒径及电化学性能的影响，其电极放电比容量最高达370mAh/g，比市售镍氢电池比容量 高约50%。(附件1)论文2系统研究了超声波功率和pH值对纳米材料结构、形貌、粒径及电 化学性能的影响，测得Y含量为1.17%的电极放电比容量0.5C倍率下达358mAh/g。(附件2)论文3制备了镧掺杂的多相纳米氢氧化镍，与相同条件下制备的钇掺杂样品形貌和性能进行了比 较分析，也与纯球镍电极性能作了对比。（附件3）论文4及专利2发明了一种电池极片的制作 方法，该方法将电池镍网基片直接浸入到已经混合均匀的浆料中，通过浆料对基片的浸润作用使 浆料均匀分布在基

10、片上，其效果明显优于传统手工涂覆工艺。（附件4）论文5制备了钻掺杂纳 米氢氧化镍，研究了钻比例、缓冲剂及反应物浓度对材料的物化性能影响，其钻含量为0.85%的 电极0.5C倍率下放电比容量高达347mAh/g，且放电平台较高。获奖情况一、发表或录用论文9篇，其中第一作者5篇（如下所示），另外4篇如附件6-9所示： 1.“超 声波沉淀法制备Y掺杂纳米多相Ni（OH）2及其性能研究在稀有金属材料与工程SCI收录期 刊上发表,2011,40（7）:1-5.（附件1） 2.“超声波功率和pH值对Y掺杂纳米Ni（OH）2结构与性能的 影响在材料工程EI收录期刊上发表,2011,38（6）:38-42.（

11、附件2） 3.“Study on the preparation and electrochemical performanee of rare earth doped nanoNi（0H）2被Journal of Rare Earths SCI 收录期刊录用，2011 年 8 月发表.（附件 3） 4.“The Effect of electrodesmaking methods on the electrochemical performance of Nano-Ni（OH）2被Advaneed Materials ResearchEI 收录 期刊录用（附件4） 5.“制备条件对Co掺杂纳

12、米Ni（OH）2晶相结构及性能的影响”在中国能源学会 “2010中国可再生能源科技发展大会论文集”上发表，2010，12： 2843-2847ISTP待收录（附件5） 二、申请发明专利3项，其中第一发明人2项： 一种含稀土元素的纳米多相氢氧化镍及其 合成方法P中国发明专利，申请号:201110152223.6, 2011年6月8日受理.（附件10）一种实 验室用模拟电池极片的制作方法P中国发明专利，申请号：201110068423.3, 2011年3月22日 受理（附件11）多元掺杂纳米a-Ni（OH）2材料及其制备方法P申请号201010281338.0, 2010 年9月15日受理.（附件

13、12）三、所获奖励： 1.获2011第十一届“挑战杯”省级大学生课外学术科 技作品竞赛特等奖； 2.获 2011 学校第四届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。科技查新报告表明，本作品制备的纳米材料未见国内外报道；一种电池极片的制作方法已申请发 明专利；本作品电极比容量最高达370mAh/g，比市售镍氢电池高50%，已通过市科技局项目验 收参考文献氢氧化镍有a相和B相两种晶型，a氢氧化镍的理论容量为482mAh/g,比B相高60%，受到人 们较多关注1-4。但是a氢氧化镍在电解液中稳定性差4,5，容易转化为B相，因此其应用受到 很大限制。为了解决稳定性差问题，国内外学者做了大量工作2-

14、4,6，并取得一定成效，但直至 目前仍然未得到根本解决。 纳米粉体在合成和应用过程中遇到的一个难题就是团聚，通常制备氢 氧化镍的方法是沉淀法3,4, 6,7，沉淀法制备的纳米粉体颗粒不够均匀，且容易团聚。为了解决 分散性问题，国内外学者也做了不少研究，如刘长久等8采用微乳液快速冷冻沉淀法、Tang等 9利用水热法来提高材料的分散性。本作品设计了超声波沉淀法，使制得的纳米粉体比沉淀法分 散性好、活性高。为了解决稳定性问题，本课题选用稀土 Y或金属Co掺杂制备出结构稳定的具 混合相结构的纳米氢氧化镍，将纳米样品以8 %掺入到工业用球镍中制成复合电极，其电极放电 比容量最高达370mAh/g，比目前

15、市售镍氢电池比容量高约50%，比国内外同类研究1-4, 6-9 高出2080mAh/g。1王锐，黄永攀，李道火等.量子电子学报，2004, 21（3）: 387. 2陈惠， 王建明，潘滔等.中国有色金属学报， 2003, 13（1）: 85 3 QiJ Y， Xu P, Lv Z S et al.Journal of Alloysand Compounds, 2008,462(1-2): 164 4 杨书廷，陈改荣，尹艳红等.应用化学，2001，18(9): 689 5 Ramesh T N, Vishnu K P.Materials Research Bulletin, 2008, 43:

16、2827 6 Liu C J, Wu H B, Li Y W.J Phys Chem Solids.2009,70(3-4): 723 7 张倩, 徐艳辉, 王晓琳等.稀有金属材料与工程，2005， 34(11): 1823 8 张红兵，浦 坦，李道火.电源技术，2004，28(5): 276 9 Li Y W, Yao J H, Liu C J et al. Int. J. Hydrogen Energy,2010,35(6): 2539同类课题研究水平概述纳米氢氧化镍的制备方法有固相沉淀法、配位沉淀法、均相沉淀法和球磨法等多种，沉淀法是最 常用的方法。球磨法虽然工艺简单，易于工业化放大，但

17、不易制得颗粒均匀的纳米粉体。氢氧化 镍有a相和B相两种晶型，研究表明，B相氢氧化镍的理论容量为289mAh/g，而a相氢氧化镍 的理论容量达482 mAh/g，且不易发生电极膨胀，但a相氢氧化镍在碱液中不稳定，易变为B相， 使其应用受到很大限制。除了a相不稳定外，还有以下几个因素使纳米氢氧化镍至今还没有应用 到生产中：分散性差，易团聚。无论是沉淀法还是球磨法制备的粉体，存在易团聚、活性不够 高的缺点；纳米氢氧化镍堆积密度低；纳米晶粒间的电阻较大。针对以上缺点，研究者们采 取各种不同手段加以克服或改善。如我国刘长久等采用微乳液快速冷冻沉淀法制备出分散性较好 的Y掺杂非晶态纳米氢氧化镍，当掺钇量为

18、4%时，0.2C倍率下比容量达333mAh/g；杨书延等 采用均匀络合沉淀法制备出Y掺杂a相氢氧化镍，放电比容量达到336 mAh/g；日本的Alexis等 用沉积铝取代法，合成镍铝双层的氢氧化物，其结构和性能与a相氢氧化镍相似，但结构较为稳 定；Aaudemer等以共沉淀法通过掺杂Co来提高a相氢氧化镍的稳定性；Tripathi等则制备了一 种混合型、堆垛混乱的氢氧化镍，发现其结构比较稳定。为克服以上缺点，本作品设计了系列实 验，研究思路如下：1)为解决分散性问题，采用加超声波的沉淀法制备纳米样品，利用超声波 震荡作用，使制得的纳米粉体比沉淀法分散性好。2)为解决a相稳定性差问题，选用稀土

19、Y或 La掺杂制备纳米氢氧化镍，通过三价稀土离子取代二价Ni后，正电荷数增加会吸引更多的阴离 子和水分子插入晶体层间，使晶体的缺陷增多，减小内阻，同时正负离子作用力增大使晶体结构 趋于稳定而不易转相。3)针对上述、的缺点，本作品将纳米样品与工业用球镍混合制成复 合电极，使电极既有球镍的高压实密度和较小的电阻，又具有纳米材料的高活性。本作品研究结 果如下：采用超声波沉淀法制备出稀土钇或钻掺杂的混合相纳米氢氧化镍；将纳米粉体以8%比 例掺入到工业用球镍中制成复合电极，其电极放电比容量最高达370mAh/g，比目前市售镍氢电池 比容量高约50%，比国内外同类研究高出2080mAh/g。可见，本研究结

20、果已达到同类研究的先 进水平。大鼠穹窿海马伞切割对海马伞内神经干细胞再生的影响项目名称：大鼠穹窿海马伞切割对海马伞内神经干细胞再生的影响来源：第十二届挑战杯作品小类：生命科学大类：自然科学类学术论文简介：新近研究发现，外伤、神经退行性变等病理性刺激会诱导神经干细胞增殖，并向受损或退行性 变的区域迁移。本课题组曾在去胆碱能神经支配的海马中发现自体神经干细胞增生，但是损伤 的穹窿海马伞内神经再生情况尚不清楚。本研究切割穹窿海马伞，观察穹窿海马伞内的神经再 生情况，结果发现在损伤的海马伞内发现了明显的神经干细胞再生。本研究的结果为利用自体 神经干细胞治疗自身神经系统疾病提供重要的实验依据。详细介绍：

21、神经干细胞(n eural stem cells, NSCs)具有自我更新特性和多分化潜能，主要存在于成年哺乳动 物的前脑室下带(subventricular zone, SVZ)和海马齿状回颗粒下区(subgranular zone, SGZ)。 正常情况下，SVZ中的神经干细胞迁移至嗅球并分化为颗粒和球旁神经元，而海马齿状回中的 神经干细胞迁移至颗粒层并分化为颗粒神经元，这些神经元的轴突投射到海马的CA3区域，并 与该区域的神经元发生突触联系。大鼠起自海马CA2、CA3、CA4锥体细胞的纤维，自海马传出， 参与形成海马伞，进入隔区成为穹窿，止于丘脑前核、乳头体核、隔外侧核及斜角带核等；而大

22、 鼠基底前脑隔区内侧隔核和斜角带垂直支中胆碱能神经元发出的突起，又通过海马伞投射至海 马，成为海马内乙酰胆碱递质的主要来源。切割穹窿海马伞，可阻断基底前脑胆碱能神经纤维 向海马的投射，引起海马内乙酰胆碱递质的下降，从而导致动物学习记忆等认知功能的损伤。 本课题组利用切割穹窿海马伞(fimbria for nix, FiFx)，阻断海马与其他脑区的纤维联系，制备去 神经支配海马模型，模拟Alzheimers disease(早老性痴呆)。结果发现在失去胆碱能神经支配 的海马中自体神经干细胞增殖加快，并可向神经元分化。本课题在切割穹窿海马伞后，应用5- 溴-2-脱氧尿苷(5-Bromo-2-deo

23、xy-uridi ne, BrdU)和神经上皮干细胞蛋白(n est in)免疫荧光双标检 测、神经干细胞体外分化等技术观察在胆碱能投射通路穹窿海马伞中自体NSC再生增殖的情况。 结果表明，大量BrdU阳性细胞或nest in阳性细胞可在切割侧穹窿海马伞中检测到，这些细胞绝 大部分为BrdU/nestin双标阳性，进一步推测这些双标阳性细胞可能为NSCs。取切割侧穹窿海 马伞组织在体外进行培养，可获得相当数量的神经球，而用相同方法并不能从未切割侧海马伞 中获得。之后将神经球进行体外诱导分化，免疫荧光化学检测，神经球可以分化为神经元、星 形胶质细胞和少突胶质细胞。从而证明，在切割侧的BrdU和n

24、estin双标阳性细胞为NSCs。与 切割侧相比，在正常侧几乎没有观察到BrdU和nestin双标阳性细胞，表明穹窿海马伞切割损伤 诱导了海马伞内NSC的增殖，而且这种增殖可能是为了损伤修复作准备。研究认为，当脑受到 病理损伤等刺激后，脑内特定区域会出现神经前体细胞增生现象，推测这种增生与损伤区域的 修复有关，如替代缺失的神经元、补充神经递质等。本实验中，切割穹窿海马伞后，海马对其 他脑区的传出信号不能传出，同时也失去了其他脑区的神经传入支配，这就需要某些自身机制来修复这种损伤。在本课题组研究的损伤修复可能存在两种形式，一是投射纤维目的脑区的修 复，这也是我们在前期实验中观察到的海马内的神经干

25、细胞再生现象；二是投射纤维通路损伤 周围结构的修复，在本实验中，损伤周围的海马伞中也发现了神经干细胞增生，预示着损伤区 周围出现神经修复活动。作品专业信息撰写目的和基本思路神经系统再生是目前国内外研究的热点之一，对神经系统损伤的修复有着积极的意义。本作品利 用去除海马的胆碱能神经支配，制备早老性痴呆模型。通过对海马伞的检测，研究神经干细胞在 非神经元区域穹窿海马伞内的再生情况。研究目的是寻找非神经发生区神经再生的证据，为利用 内源性神经干细胞治疗神经系统损伤提供了新的思路。科学性、先进性及独特之处神经干细胞具有自我更新特性和多分化潜能，在成年哺乳动物脑内，室下带和海马齿状回被认为 是神经发生区

26、。海马中胆碱能纤维主要由隔区胆碱能神经元经海马伞投射而来，故可以去除海马 的胆碱能神经支配制备早老性痴呆模型。本研究发现，在损伤后的非神经发生区海马伞内检测到 神经干细胞再生。这一结果在国内外尚未见到报道。表明，脑损伤可以诱导非神经发生区神经干 细胞再生，为利用内源性神经干细胞治疗神经系统损伤提供新的依据。应用价值和现实意义本作品结果显示，穹窿海马伞切断之后，海马伞内出现明显的神经干细胞再生。表明，中枢神经 系统中，损伤等应激反应可以透发非神经元区域的神经再生。从而提示，中枢神经系统疾病发生 后，可以设法诱导内源性神经干细胞再生，以补充损伤/死亡的神经元。这些结果为利用内源性神 经干细胞替代治

27、疗神经退行性疾病提供了新的证据。学术论文摘要目的：检测切割穹窿海马伞后损伤的海马伞中自体神经干细胞的再生情况。方法：取SD大鼠7 只，在立体定位仪上切割左侧穹窿海马伞，术后腹腔注射BrdU。7天时取脑冰冻切片，行nest in、 BrdU免疫荧光检测；取术后7d的穹窿海马伞组织进行神经干细胞的体外分离培养。将获得的细 胞，进行nest in与BrdU免疫荧光检测；利用Accutase将分离培养获得的细胞团制成单细胞悬液， 接种于24孔培养板中，加入含10%血清的培养基诱导分化。再对分化的细胞进行MAP-2、GFAP 和CNP免疫荧光检测。结果：切割侧穹窿海马伞中见到较多的nestin和BrdU

28、阳性细胞，部分细 胞表现为BrdU/nestin双重阳性；而在正常侧比较少见。取切割侧穹窿海马伞组织进行分离培养 能获得神经球表现为nest in与BrdU阳性，而正常侧海马伞未能培养出神经球；分化所得的细胞 中，一部分为MAP-2阳性的神经元，一部分为GFAP阳性的星形胶质细胞，还有一部分为CNP阳 性的少突胶质细胞。结论：切割穹窿海马伞后，切割侧穹窿海马伞中出现了自体神经干细胞的再 生及增殖。获奖情况1.2010 年某某大学医学院第一届大学生课外学术作品竞赛中获得一等奖。 2.2010 年某某大学第 三届大学生课外学术作品竞赛中获得特等奖。本作品得到2010年某某省高等学校大学生实践创新训

29、练项目的资助，该项目已经完成，并已结 题。目前尚未鉴定。参考文献现有技术 (1)去神经支配海马模型制作。 (2)脑组织冰冻切片。 (3)免疫组织化学方法检测海马伞 内神经干细胞再生情况。 (4)分离模型动物的海马伞，神经干细胞培养。 (5)神经干细胞特性检测。 (6)神经干细胞体外诱导分化及检测。文献： 1.Zhang X, Jin G, Wang L, Hu W, Tian M, Qin J, Huang H (2009) Brn-4 is upregulated in the deafferented hippocampus and promotes neuronal differentiation of neural progenitors in vitro. Hippocampus 19:176-186. 2.Zhang X, Jin G, Tian M, Qin J, Huang Z (2007) The denervated hippocampus provides proper microenvironment for the survival and differe