随着我国改革开放以及经济全球化的日渐深入，科学仪器成为推动生产力发展的重要动力，我国也对科学仪器研发与应用方面的工作逐渐重视起来。“十五”期间国家对仪器拨款总共约一个亿人民币；“十二五”期间，国家投资70多亿人民币；“十三五”国家的支持力度更上一层楼，其中一个项目国家直接投资了1.4亿多人民币(含自筹)。有了国家有关政策的大力扶持，我国科学仪器及其应用的发展正在蒸蒸日上。作为科学仪器下属门类的分析仪器也趁着这股红利，一路高歌猛进，市场前景日益广阔。
据了解，分析仪器大体分为理化分析仪器、生化分析仪器、物化分析仪器、常规实验仪器、专用分析仪器、样品处理设备以及电子仪器设备这七大类。其中，理化分析仪器又包括色谱类分析仪器、光谱类分析仪器、电化学分析仪器、元素分析仪器、光学分析仪器、玻璃仪器。接下来，小编就理化分析仪器进行重点介绍。
色谱仪
色谱分析仪器
关于色谱分析仪器，它是进行色谱分离分析时使用的装置，包括进样系统、检测系统、记录和数据处理系统、温控系统以及流动相控制系统等，具有稳定性、灵敏性、多用性和自动化程度高等特点。目前，色谱分析仪器被广泛地应用于化学产品，高分子材料的某种含量的分析，高分子材料的分子量及其分布的测定等领域，应用领域较为广泛。在我国，气相色谱已有几十家在生产，生产的产品都较为成熟，基本上能满足使用要求。例如，大连依利特公司、上海通微、伍丰仪器等公司的产品种类比较丰富齐全，深受广大用户的青睐。其中，上海通微公司生产的多种色谱仪器销往国外，产品的市场占有率逐渐提升。此外，该公司生产的液相色谱、电色谱享誉全球，品牌影响力不凡。
光谱分析仪器
光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。从应用角度来看，光谱仪可以分为分子光谱、原子光谱。据统计，目前国际上的光谱仪器多达20多种，其中，紫外光谱、红外光谱、原子吸收光谱等比较具有代表性。纵观整个光谱检测仪器的发展和进展方面，近些年来，我国的新型光谱仪器不断涌现。例如，上海安杰公司具有知识产权的气相分子吸收光谱仪，南京简智公司的便携式差分拉曼光谱仪，北京西派特的ExR510激光拉曼光谱仪，此外，还有常州盛奥华公司的多种新型的水质检测光谱仪等。总之，我国的光谱仪器研发与应用前景一片大好，技术水平有了新的提高。
电化学分析仪器
电化学分析是利用被测试样溶液的电化学性质及其变化来进行分析的方法，其测定的依据是电位、电导、电量、电流等电化学参量与被测物含量之间的定量关系，这些电化学参量的测量是通过电化学分析仪器来完成的。根据所测量电化学参量的不同，常见的电化学分析仪器包括酸度计、离子计、电位滴定仪、电导率仪、库仑仪、极谱仪等。这些电化学分析仪器在各行各业担负着不同的分析任务，促进了国民经济地快速发展。目前，在电化学分析仪器领域做得较为出色的企业有上海辰华、江苏国创、瑞士万通、哈希等。
元素分析仪器
元素分析仪是指同时或单独实现样品中几种元素的分析仪器，具有测量范围宽、抗干扰能力强、功能齐全、操作简单、分析结果快速准确等特点。该仪器作为一种实验室常规仪器，可同时对有机的固体、高挥发性和敏感性物质中C、H、N、S、元素的含量进行定量分析测定, 在研究有机材料及有机化合物的元素组成等方面具有重要作用。目前，该仪器广泛应用于化学和药物学产品领域，成为科学研究的有效手段。
光学分析仪器
光学分析是基于物质的光学特性进行定性或者定量研究的方法。光学分析仪器主要包括比色计、旋光仪、光学显微镜、光学平台等。该类仪器是仪器仪表行业中比较重要的组成类别，是工农业生产、科学实验、资源勘探以及社会生活各个领域不可缺少的观察、测试、分析、记录的工具。伴随着下游应用领域需求的日渐增长，近年来，国内光学分析仪器制造行业市场规模也呈现快速扩张态势，产品的市场占有率逐渐提升。
烧杯
玻璃仪器
玻璃材质的仪器称为玻璃仪器，由于玻璃较好的化学稳定性、热稳定性、透明度、绝缘性，目前被广泛应用于化学实验室、科学研究实验室、生物试验室等各种实验室。为满足科学发展的需求，玻璃仪器正在往电助炉和全电熔炉、大量使用白金等贵金属以及计算机控制的灵活柔性生产线方向发展，产品更趋智能化，操作简便。
【研究背景】
近年来，锂离子电池因其具有较高的能量密度，使用成本不断降低，已经成为在能量储存和转换装置领域占据主导地位，然而，在使用锂离子电池进行大规模能量储存商用化过程中，仍然存在较多的制约因素，例如锂资源的稀缺性、电池有机电解质的易燃易爆性等。因此，寻找合适的兼具低成本、高安全性以及高能量密度新一代电池的重要性日益凸显。
锌离子电池由于具有安全性高、成本低、制备和回收工艺简单及环境友好等诸多优点，受到了研究人员的普遍关注，被认为是最具潜力和应用前景的新型电化学储能装置。其电极材料金属锌具有高达820 mA·h·g-1的理论体积比容量和合适的平衡电极电位（0.76 V vs. SHE），作为负极材料被广泛应用于锌锰、锌空等电池中，此外，锌作为人体必须的微量元素，对环境十分友好，在制备和使用过程中不会产生污染；锌丰富的资源储量、较低的成本也为其大规模商业化应用奠定了基础。
自2012年混合水系可充电锌电池的引入以来，其表现出的高能量密度（50~80 W·h·kg−1）、优异的环境友好性引起广泛关注。一直以来，关于水系锌离子电池的阴极材料的研究热度很高，常见的阴极材料主要有钒氧化物、锰氧化物及有机材料等。关于锌金属阳极的研究则相对不够充分。在通常情况下，纯锌片因其较低的成本、充足的资源被作为阳极材料大量使用。然而，普通纯锌片阳极在使用中存在因锌不均匀沉积而造成的枝晶生长问题，锌电极表面形成的电化学惰性和不可逆的副产物可逐渐引起表面钝化和析氢反应等问题，使锌离子电池的稳定性和充放电效率受到极大影响。在众多问题中，枝晶生长对锌电极的影响最为突出。当下，针对锌负极循环过程中枝晶生长问题，主要的调控方案集中在改变锌电极结构、改变电解液成分和涂敷保护层等方面。这些方法中，改变电解液成分会引入绝缘层，使得电效率下降，而涂敷保护层则会使得电极电阻上升，均会在某种程度上影响电池效率，而且这两种方式均不能消除锌沉积/降解过程中引起的体积膨胀。改变电极结构则主要是通过构建特殊电极结构以提高反应动力学，为锌沉积过程提供更多的形核位点，抑制枝晶形成。三维结构电极，被证明能有效提高锌离子在沉积过程中的均一性，可以有效避免集中沉积引发的枝晶问题，相对另外两种方式，这种方法从电极材料本身入手，更为直接，也规避了保护层及电解液添加剂材料昂贵、有毒有害等现实问题。
不过，改变电极结构的方法也有其掣肘，部分三维结构制备方法的复杂性与高成本限制了其大规模商业化应用。针对这个问题，电沉积因其成本低、工艺成熟得到部分研究，KANG Z等通过化学法将铜箔刻蚀成多孔结构，再电沉积锌的方法，在铜骨架上制备出一种新型的3D锌负极。GUPTA T等[27]也通过电沉积技术制备出超树枝状锌负极( HD-Zn) ，并将其作为水系锌离子电池的负极材料，与使用纯锌片为负极的电池相比，前者具有更高的容量保持率、循环稳定性以及更低的过电位。
中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所薛金涛等在《特种铸造及有色合金》上发表了“三维多孔锌阳极的制备及其电化学性能研究”的文章，作者采用电沉积工艺，通过改变沉积参数，制备出不同孔结构的三维多孔锌。研究了多孔铜骨架支撑三维多孔锌的制备工艺及其作为锌离子电池阳极的电化学性能。电化学测试结果表明，电流密度为40 mA∙cm-2时，电沉积时间为10 min时制得的三维多孔锌，在2 mol/L的ZnSO4电解液环境中，具有相对较为适宜的阻抗和腐蚀速率。当单位面积沉积锌量维持在6.67 mA∙h∙cm-2时，改变电流密度可以得到不同表面形貌。后续封装成对称电池0.5 mA∙cm-2条件下进行循环测试，结果显示，电流密度为40 mA∙cm-2时沉积的具有层片状表面三维多孔锌电极相对纯锌箔具有更低的过电位与更好的循环稳定性，循环过程生成的枝晶数量更少，尺寸更小。
【试验方法】
将多孔铜基体骨架经过5%的HCl清洗、去离子水冲洗后，使用电化学工作站电沉积锌。电沉积三电极体系中多孔铜为工作电极，403不锈钢为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，电解液成分：0.4 mol/L的ZnSO4、0.4 mol/L的ZnSO4、0.2 mol/L的H3BO3。
将两块同样工艺制备得到的三维多孔锌剪切成边长为1 cm的正方形，作为两极，组装成试验用对称电池，隔片使用纤维玻璃片，电解液采用2mol/L的 ZnSO4溶液。
采用三电极体系测量塔菲尔曲线，以三维多孔锌为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，扫描速率0.1mV/s。阻抗图谱的测量使用相同的电极体系，频率范围为0.01 Hz-100 kHz，振幅为5 mV。纽扣电池的循环伏安曲线测量使用双电极体系，三维多孔锌为工作电极，锌箔为对电极和参比电极，以上测量电解液环境均为2M ZnSO4，使用仪器为上海辰华电化学工作站。对称电池的循环电流为0.5mA∙cm-2，每次循环中充/放电电量为0.5 mA·h，使用蓝电测试仪测量。
【研究内容】
优化锌电极结构方法作为改善锌电极性能的重要方式之一，其手段主要集中在更改锌电极的空间结构，规避最常见的锌平板电极在使用过程中易出现的锌集中沉积以产生的枝晶生长问题。不难看出，影响该方法效果的主要影响因素为空间结构的形态，不同的空间结构对电极的电化学性能的影响差别很大。目前，绝大部分方法集中在提升锌电极的比表面积，对具体结构可能存在的影响讨论不多，而电沉积因其试验过程中相关试验参数可定量，为电极结构改造提供了可设计性。
多孔铜表面电沉积锌效果示意图见图1a，电沉积之后得到了表面为锌层覆盖，内部为联通铜网的三维复合多孔结构，这样的结构在保留铜良好导电性的同时，为锌提供了复杂的空间结构，能有效缓解锌沉积/降解过程中的枝晶生长。在多孔铜电沉积锌方法中，除了多孔铜基体本身孔结构对制备出三维多孔锌的孔结构有影响，电沉积锌量的大小同样对孔结构有着不可忽视的影响作用，沉积锌量的多少，直接决定了多孔铜有限体积内Zn的空间占据情况。
（a）电沉积过程示意图
（b）三维海绵锌制备过程示意图
图1 三维多孔锌制备过程示意图
沉积过程中的电流密度、电沉积时间决定了单位体积电沉积锌量，在电流密度恒定时，通过改变电沉积时间可以得到不同孔尺寸的三维多孔锌，见图1b。然而由于不同电流密度对电沉积锌的形貌影响很大，会成为影响电极性能的关键因素，故不能采用固定沉积时间，改变电流密度的方式以改变孔结构。
图2和图3分别为多孔铜基体及不同沉积时间三维多孔锌形貌。当沉积电流密度为40 mA∙cm-2时，不同电沉积时间得到的三维多孔锌的孔结构见图4。可以看出，随着随着电沉积时间的延长，沉积锌量提升，三维多孔锌的孔径变小，在不同视场随机选取共30个孔进行尺寸统计，具体的统计数据见表1。可以看出，与原始多孔铜42 μm的初始孔尺寸相比，当电沉积时间达到20 min时，孔尺寸已经减小至18 μm。
此外，电沉积锌量超过一定范围后，还能影响沉积锌的表面形貌与均匀性，而这与锌电极使用过程中的枝晶形成有相当大的关联性[33]。多孔铜表面较为光滑（见图2b），在40 mA∙cm-2条件下沉积10 min时，见图3a，表面为均匀覆盖的细小片状锌（电沉积5 min、15 min时具有相似表面，见图4右上角高倍图），而当电沉积时间达到20 min时，见图3b，锌开始以凸起状聚集在表面，这可能是因为当电沉积时间达到20min时，此时沉积的锌已经占据了绝大部分通孔体积，只能以堆积的方式继续沉积，这表明，当电沉积时间大于20 min后，再增加沉积锌量将不利于孔结构的保留。
（a）通孔形貌
（b）表面形貌
图2 未进行电沉积时多孔铜的形貌
（a）10 min
（d）20 min
图3 40 mA∙cm-2电沉积Zn不同时间后多孔锌的表面形貌
（a）5 min
（c）15 min
（b）10 min
（d）20min
图4 多孔铜在40 mA∙cm-2电沉积Zn不同时间后的通孔形貌
表1 不同沉积时间三维多孔锌电极孔平均尺寸
锌电极的活性是其作为电极材料需要平衡的重要性能，活性较高，将使得电极自放电现象较为严重，活性过低，又会影响电池的放电性能和使用寿命，对三维多孔锌电极而言，活性与孔结构之间联系紧密。为了进一步探究不同孔结构对三维多孔锌电极活性相关的电化学性能的影响，在2mol/L的ZnSO4盐溶液中进行了相关的电化学试验，结果见图5。由图5a可以看出，不同孔结构三维锌电极与纯锌箔的阻抗呈现明显差异，具体表现为随着电沉积时间的上升，孔径减小，相应的，其电荷转移阻抗值增大，但均小于纯锌箔的电荷转移阻抗值。这表明，随着孔尺寸的减小，三维多孔锌的反应活性降低，这是由于随着孔径减小，三维锌电极与溶液的有效接触面积减小，值得注意的是，电沉积15 min与20 min的活性相差较小，这表明电沉积20 min时，凸起状聚集的锌从某种程度上增加了锌电极与溶液接触面积，抵消了过量锌对通孔空间过度挤压造成的面积损失。
（a）阻抗性能
（b）塔菲尔曲线
（c）腐蚀电流
图5 电沉积不同时间三维多孔锌电化学性能
塔菲尔曲线作为表征三维多孔锌在溶液中腐蚀情况的重要表征手段，也进行了相关测量，见图5b，不同孔结构的三维多孔锌腐蚀电位十分接近（-1.025±0.003 V），而腐蚀电流的大小则随着孔径减小而减小见图5c。综合考虑三维电极活性与耐蚀性，可以认为，电流密度为40 mA∙cm-2沉积10 min锌得到的孔结构具有更好的综合性能。
除了镀锌量的多少会决定三维多孔锌孔尺寸的大小与结构，继而影响到电极电化学性能外，电沉积式锌电极的表面形貌也会对其电化学性能产生极大影响，针对同样沉积量的三维多孔锌，不同的电流密度沉积出的表面形貌存在很大差异。图6和图7分别为不同电流密度对锌镀层孔结构及表面形貌。可以看出，电流密度为20 mA∙cm-2、40 mA∙cm-2时，其孔结构较为相似，均为联通的三维网格，通过统计分析，见表2，两种电流密度下制备的孔尺寸分布相似，平均尺寸接近，可以认为是属于类似结构，但是，两者的表面形貌却差异较大，见图7a和图7b，电流密度为20 mA∙cm-2时，三维多孔锌表面镀覆较为均匀光滑，含有少量层片装形貌，而当电流密度为40 mA∙cm-2时，电极表面则主要由层片状形貌堆积构成。
（a）20mA∙cm-2
（b）40mA∙cm-2
（c）60mA∙cm-2
图6 不同电流密度对锌镀层孔结构形貌
（a）20mA∙cm-2
（b）40mA∙cm-2
（c）60mA∙cm-2
图7不同电流密度对锌镀层表面形貌的影响
而当电流密度增加到60mA∙cm-2时，过大的电流密度使得锌沉积速度较快，在部分位置产生集中，团簇成球状。
表2 不同电流密度下三维多孔锌电极孔平均尺寸统计表
循环稳定性是评估电极材料性能的最重要的指标之一，该性能的优劣直接显示出电极材料在使用过程中的持续供能能力与寿命。图8为对称电池组装及电化学反应示意图。由图8a可以看出，本研究中采用组装对称纽扣电池的方式对不同表面形貌的三维多孔锌电极的循环稳定性进行检测，电流密度为0.5mA∙cm-2，每次循环中充/放电电量为0.5 mA·h，通过对称电极间的电压滞后情况来反映周期变化电流条件下电极的稳定性。对称电池电解液成分为2M ZnSO4，在充放电过程中发生的电化学反应见图8b，锌离子在充放电过程中分别在两极沉积/降解，同时，纯锌片对称电池作为对比也在相同条件下封装并进行循环测试。
（a）组装示意图
（b）电化学反应示意图
图8对称电池组装及电化学反应示意图
图9为不同电流密度制备出三维多孔锌5个循环后充电状态SEM形貌。可以看出，三维多孔锌仍保持三维联通孔结构，在沉积过程中持续提供相对更短的电子扩散路径、更加高效的电子传输速率以及更加均匀的电场分布。锌沉积过程中均有片状枝晶形成，其中，如图9（b、e）所示，层片状初始表面的三维多孔锌电极在循环过后形成的枝晶最小，尺寸在亚微米级别，见图9b和图9e。光滑与层片复合初始表面的三维多孔锌的枝晶尺寸相对较大，处于微米级别，见图9a和图9d。初始表面为团簇球状的三维多孔锌则球状形貌特征减弱，枝晶生长密集，枝晶尺寸较大，见图9c和9f。综上，层片状表面对枝晶生长的抑制作用最佳，球状团簇表面对枝晶生长抑制效果最差。
（a）20 mA∙cm-2，低倍
（d）20 mA∙cm-2，高倍
（b）40 mA∙cm-2，低倍
（e）40 mA∙cm-2，高倍
（c）60 mA∙cm-2，低倍
（f）60 mA∙cm-2，高倍
图9 不同电流密度制备出三维多孔锌5个循环后充电状态SEM形貌
循环过程中电压-时间曲线见图10。纯锌箔对称电初始电压滞后约为0.05V，在循环至45 h左右时，开始出现波动，在达到50 h后波动已经非常大。电流密度20mA∙cm-2沉积出具有相对光整表面与层状表面相结合的铜基三维多孔锌电极，循环的前75 h具有较低的电压滞后，约为0.03V，75 h之后，电压滞后则明显增大。与之相似，电流密度为60mA∙cm-2条件下沉积出的具有球状团簇铜基三维多孔锌在循环前43 h的电压滞后约为0.04V，43 h之后则开始出现明显波动，在60 h左右达到峰值。这表明具有层状表面的三维多孔锌电极则表现出较小的极化、较高的循环稳定性与较小的锌成核能。
图10锌箔电极和三维多孔锌电极对称电池在0.5 mA∙cm-2条件下的循环性能
【研究结论】
本研究主要关注一种关于锌电极在离子电池中使用问题的有效解决方法，通过在多孔铜上电沉积方式，在降低成本与工艺复杂性的同时，具有一定的可设计性。在实际的电化学测试与循环试验中，三维多孔锌提供了较为优异的电化学性能与循环稳定性。此外，对实际孔尺寸与孔表面形貌对性能影响的探讨表明，不同的孔结构与表面对三维多孔锌的电化学性能与循环性能影响很大，只有适宜的孔结构才能得到较为优异的性能，这让更多的关注点放在实际结构上，为优化电极结构这种重要方法在结构设计方面提供参考。
作者：薛金涛，韩福生，史子木，王幸福
（1.中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所；2.中国科学技术大学)