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苯并咪唑与6-硝基苯并咪唑及PbCl₂对KOH溶液中锌的缓蚀作用研究

作　者: 胡莲跃
导　师: 张胜涛
学　校: 重庆大学
专　业: 化学
关键词: 咪唑类化合物 Pb2+ 锌氢氧化钾量子化学计算
分类号: O646
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文概述了碱性锌基电池的种类及研究现状,分析了锌电极在碱性溶液中的性质及存在的问题,综述了解决碱性锌基电池阳极问题的主要方法和途径。在此基础上,对碱性介质中锌电极的电化学行为与筛选出的三种缓蚀剂——两种咪唑类化合物和PbCl2进行了研究。本文选用两种咪唑类化合物(苯并咪唑和6-硝基苯并咪唑)和一种铅盐(PbCl2)作为金属锌在氢氧化钾溶液中的缓蚀剂。通过失重法、动电位极化曲线、交流阻抗谱(EIS)、循环伏安曲线(CV)、现代表面分析技术(SEM)、电流-时间曲线以及量子化学计算方法研究上述三种物质对金属锌在碱性介质中电化学性能的影响。研究的主要结果如下:在常温条件下,两种咪唑化合物的浓度大于一定值后,对低浓度的氢氧化钾溶液中的锌腐蚀均具有较好的抑制作用,但是当两种咪唑化合物浓度较低时,缓蚀作用不明显,两种咪唑化合物对锌的缓蚀效率随着它们浓度的增加而增加。两种咪唑化合物都属于阳极型缓蚀剂,并且两种缓蚀剂在碱性锌电极表面的吸附均符合Langmiur等温吸附模型。本文还研究了两种咪唑化合物的缓蚀效率与温度的关系,结果表明,苯并咪唑的缓蚀效果受温度的影响较弱,而6-硝基苯并咪唑随着温度的升高,缓蚀效率降低。但是,当碱液浓度升高后,两种缓蚀剂都不能够表现出理想的缓蚀性能。应用电流-时间测量技术研究发现,在碱性锌电极的充电过程中,当Pb2+浓度小于0.1g/L时,Pb2+能有效地抑制锌枝晶的产生,且不会对碱性锌电极的充电效率产生明显的影响。当阴极极化过电位η≥-100mV时,6-硝基苯并咪唑在较低浓度时对碱性锌电极腐蚀的抑制效果反而更好,而随着苯并咪唑浓度的增加,其对锌枝晶的抑制作用有所提高。吸附热力学及吸附动力学研究表明:6-硝基苯并咪唑分子在锌表面的吸附是物理吸附与化学吸附共同作用的结果,随着6-硝基苯并咪唑浓度的增加,表观活化能也增大;而苯并咪唑分子在锌表面的吸附是以共价键作用为主的化学吸附,随着苯并咪唑浓度的增加,表观活化能先增大后减小。咪唑类化合物在碱性锌电极表面吸附改变了锌的腐蚀历程,缓蚀剂浓度变化能够引起吸附层性质的改变,这是导致锌腐蚀历程改变的决定性因素。量子化学计算表明,两种咪唑类化合物分子在金属表面能够形成稳定的吸附膜;铅在锌电极上沉积的密度泛函研究结果表明,铅原子在锌表面吸附后体系的能量总体都比锌原子在锌表面吸附后体系的能量低,说明在不考虑外界环境影响时,铅原子在锌表面形成的吸附比锌原子在锌表面形成的吸附更加稳定。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-24
  1.1 引言  10
  1.2 碱性锌电池的种类及现状  10-16
    1.2.1 锌空气电池  10-12
    1.2.2 碱性锌锰电池  12-13
    1.2.3 锌汞电池  13-14
    1.2.4 锌镍电池  14-15
    1.2.5 锌银电池  15
    1.2.6 锌铁氰电池  15-16
  1.3 锌电极在碱性溶液中的性质及存在的问题  16-18
    1.3.1 锌电极变形  16
    1.3.2 锌枝晶生长  16-17
    1.3.3 锌电极的阳极钝化  17
    1.3.4 锌电极的自放电  17-18
  1.4 锌电极添加剂  18
  1.5 电解液添加剂  18-22
    1.5.1 电解液添加剂的基本原理  19
    1.5.2 电解液添加剂的种类  19-22
  1.6 本课题研究目的及研究内容  22-24
    1.6.1 研究目的  22
    1.6.2 研究内容  22-24
2 实验内容与测试方法  24-30
  2.1 化学试剂与测试仪器  24-25
    2.1.1 化学试剂及材料  24-25
    2.1.2 实验仪器  25
  2.2 锌电极的制备  25
  2.3 失重实验  25-26
  2.4 电化学测试  26-27
    2.4.1 极化曲线测试  26
    2.4.2 电化学阻抗谱（EIS）测试  26-27
    2.4.3 循环伏安（CV）测试  27
    2.4.4 电流-时间曲线  27
  2.5 扫描电子显微镜（SEM）技术  27
  2.6 量子化学计算  27-30
3 结果与讨论  30-64
  3.1 有机缓蚀剂的筛选  30
  3.2 失重数据分析及讨论  30-33
    3.2.1 缓蚀剂浓度对缓蚀性能的影响  30-31
    3.2.2 温度对缓蚀性能的影响  31-33
  3.3 动电位极化曲线测试  33-38
    3.3.1 锌在0.1 mol/L KOH 溶液中的动电位极化曲线  33-36
    3.3.2 锌在1.0 与4.0 mol/L KOH 溶液中的动电位极化曲线  36-38
  3.4 交流阻抗谱（EIS）测试  38-42
  3.5 循环伏安（CV）测试  42-51
    3.5.1 扫描速度对循环伏安的影响  43-44
    3.5.2 缓蚀剂分子在不同浓度KOH 溶液中的循环伏安曲线  44-47
    3.5.3 不同区间的循环伏安曲线  47-49
    3.5.4 循环不同次数的循环伏安曲线  49-51
  3.6 电流-时间曲线  51-55
    3.6.1 阴极极化为100mV 的电流-时间曲线  51-54
    3.6.2 阴极极化为200mV 的电流-时间曲线  54-55
  3.7 扫描电子显微镜（SEM）技术  55-56
  3.8 苯并咪唑与6-硝基苯并咪唑在锌表面的吸附特征  56-60
    3.8.1 苯并咪唑与6-硝基苯并咪唑在锌表面的吸附热力学研究  57-59
    3.8.2 苯并咪唑与6-硝基苯并咪唑在锌表面的吸附动力学研究  59-60
  3.9 本章小结  60-64
4 量子化学计算  64-72
  4.1 缓蚀剂分子量化参数与缓蚀剂缓蚀性能的关系  64-67
  4.2 局部反应活性与缓蚀剂缓蚀性能的关系  67-68
  4.3 铅在锌电极上沉积的密度泛函计算  68-70
  4.4 本章小结  70-72
5 结论与展望  72-76
  5.1 结论  72-73
  5.2 展望  73-76
致谢  76-78
参考文献  78-84
附录作者在攻读学位期间发表的论文目录  84

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