二次碱性锌电极有机代汞缓蚀添加剂的制备及作用机制研究

摘要

针对二次碱性锌电池在充放电过程中普遍存在的变形、枝晶、腐蚀等问题,本文合成了三种新的2-辛酮席夫碱基表面活性剂(M1、M2、M3)和三种聚乙二醇月桂酸单酯席夫碱基表面活性剂(M4、M5、M6),通过红外光谱、热分析方法对其结构进行表征。
　　研究了六种席夫碱基表面活性剂的溶解性、发泡力、乳化力、表面张力、临界胶束浓度及亲水亲油平衡值(HLB)等基本性质。结果表明,40℃时六种席夫碱基表面活性剂均具有较好的水溶性;乳化实验表明六种表面活性剂对油酸的乳化能力最强;1×10-2 mol/L六种表面活性剂水溶液中,M3具有最低的表面张力为26.3mN/m;M1、M2临界胶束浓度(CMC)为5×10-4 mol/L,其它四种表面活性剂为1×10-3mol/L,说明具有较高的表面活性;六种席夫碱基表面活性剂HLB为17左右,均属于非离子型表面活性剂;浓度为2×10-2 mol/L的M4、M5、M6溶液最大发泡高度为19.3mm、泡沫相对稳定性为0.953,M1、M2、M3发泡力较差。
　　通过析氢实验、失重法、电化学方法、扫描电镜和X光电子能谱研究了六种席夫碱基表面活性剂在KOH溶液中对锌电极和模拟碱性锌镍电池的电化学性能的影响。失重法、析氢实验及塔菲尔极化曲线测试结果表明六种席夫碱基表面活性剂均具有良好的缓蚀作用,当浓度达到300mg/L其缓蚀效率可达80％以上,其缓蚀能力的大小为M4>M6>M5≈M1>M3>M2;循环伏安法和锌迁移实验表明,席夫碱基表面活性剂对涂膏式锌电极枝晶、变形、迁移具有较好的抑制作用;模拟锌镍电池的充放电曲线表明,电池放电电压在1.9V至1.0V间,电池循环性能良好。
　　通过分子动力学模拟软件Materials Studio5.5对真空和水溶液条件下六种席夫碱基表面活性剂分子在Zn(100)面的吸附过程及腐蚀介质粒子在吸附膜中的扩散机理进行了探讨。径向分布函数结果表明席夫碱基表面活性剂分子中C、N、O、Br等原子与Zn原子间形成了化学键,在Zn表面发生化学吸附。六种席夫碱基表面活性剂分子吸附能大小为M4>M6>M5>M1>M3>M2,吸附能越大,缓蚀效果越好,这与析氢试验、失重法、电化学方法结论一致。由腐蚀粒子在吸附膜中的均方位移曲线和扩散系数可看出吸附膜有效抑制了腐蚀粒子的扩散。

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第1章 绪论

1.1 二次碱性锌电极及其存在的问题

1.2 二次碱性锌电极代汞缓蚀添加剂的研究现状及进展

1.3 分子动力学模拟

1.4 本文的主要研究内容、研究方法及研究意义

第2章 2-辛酮席夫碱基表面活性剂的合成、性质及在碱性锌电池中的应用

2.1 引言

2.2 主要试剂与仪器

2.3 实验方法

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第3章 聚乙二醇月桂酸单酯席夫碱基表面活性剂的合成、性质及其在碱性锌电池中的应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验方法

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 六种表面活性剂在真空、溶液中对锌缓蚀行为的分子动力学模拟计算

4.1 引言

4.2 分子动力学模拟

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 腐蚀粒子在表面活性剂吸附膜中扩散行为的研究

5.1 引言

5.2 分子动力学模拟

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 全文总结

6.1 论文总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附录Ⅰ：论文中相关化合物的缩写以及结构图

附录Ⅱ：产物与部分原料的红外光谱图

个人简历、申请学位期间的研究成果及发表的学术论文