核壳结构纳米复合材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2016-08-29 21:17

  本文关键词：核壳结构纳米复合材料的制备及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《信阳师范学院》 2013年

核壳结构纳米复合材料的制备及其电化学性能研究

孔德志  

【摘要】：目前,在各种能源存储系统中,超级电容器和锂离子电池扮演着两个十分重要的角色。与传统的电容器相比,超级电容器是一种具有很大潜力的新型能源存储装置,它利用更大的比表面积以及超薄的电介质电层来实现更大的电容量。另外,它还具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、等效串联电阻低以及对环境友好等特点,受到各国科学家们的广泛关注。然而影响超级电容器性能的关键因素在于电极材料的性能和电解液的类型,如何提高电容器的电容量和能量密度成为人们研究的重点。超级电容器在电动汽车、便携式笔记本电脑、移动通讯以及国防军事等领域都发挥着无可比拟的重要作用。锂离子电池因为具有高工作电压、高能量密度、低自放电率、“绿色”环保等众多优点也倍受人们的青睐,目前它己被广泛应用于小型用电器中,并正在积极向空间技术、国防工业、电动汽车、UPS等领域发展。锂离子电池的关键技术在于嵌入式电极材料的开发,进一步改进制备工艺,其主攻方向在于降低成本和提高性能。值得关注的是,超级电容器还可以与锂离子电池组合起来作为电动汽车的动力电源系统。目前,在影响化学电源性能的所有因素中,很大程度上取决于其所使用的电极材料。其中纳米材料电极表现出极大的优势,由于其具有很高的比表面积,特别是纳米复合材料,被认为是当前最有前途的电极材料,因为它们具有短的电子及离子传输路径。作为复合材料中出现的一种新型结构一核壳结构,因其可以实现核与壳材料功能的结合和互补,近年来其设计理念也被引入到超级电容器和锂离子电池电极材料中,并展现出了单一组分材料无法比拟的性能优势。因此,本论文以核壳型纳米复合材料为核心,通过热相法及水热法等合成技术,制备了三类不同属性及形貌各异的核壳型纳米复合材料,并分别对其形成机理、结构形貌以及电化学性能进行了详细的研究。主要工作包括以下几个方面： (1)首次使用液相法合成了核壳型纳米蠕虫状石墨烯/聚苯胺(graphene/PANI)复合材料。利用XRD、SEM、TEM、Raman、BET和XPS等表征手段分别对graphene、PANI和graphene/PANI纳米材料的晶体结构、颗粒形貌、比表面积和化学组成进行了分析。与以往有关制备graphene/PANI纳米复合材料的制备方法不同之处在于我们是通过在纳米蠕虫状PANI的表面包覆一层graphene,进而获得了一种“核-壳”结构的纳米蠕虫状复合材料。最后,分别将graphene、 PANI和graphene/PANI复合材料用于超级电容器电极材料并对其进行了循环伏安(CV)、恒流充放电和交流阻抗(EIS)性能测试,结果发现蠕虫状graphene/PANI纳米复合材料较另外两种单一组分材料有更高的电容量,即在0.5A g(-1)电流密度下的单位电容量高达488.2F g(-1),并且它的电化学循环稳定性能和比率性能都明显地有所提高。 (2)首先采用水热法直接在纯钛片表面生长一层整齐均一的Ti02纳米带状阵列,然后通过牺牲碳层模板法在Ti02纳米带表面包覆一层密集的超薄Mn02纳米片,构成了一种核壳结构的TiO2/MnO2纳米带状阵列复合材料。利用XRD、SEM、TEM、Raman和XPS分另对Ti02NBs和’TiO2/MnO2NBAs的晶体结构、微观形貌和化学组成进行了表征。最后,在同种测试条件下分别对TiO2NBs和TiO2/MnO2NBAs电极的电化学性能进行了测试,结果显示TiO2/MnO2NBAs材料具有良好的倍率性能和优异的循环性能,归因于其合理的纳米结构设计。以1M Na2SO4水溶液为电解质,并在200mV s(-1)的电流密度下获得一个较高的电容量为557.6F g(-1),存3000次循环后相同电流密度下其电容量仍保持在454.2F g(-1)。另外,存2A g(-1)时其能量密度和功率密度分别7.5Wh kg-1和1kW kg1。综上说明核壳型Ti02/MnO_2内米阵列复合材料具有较高的比电容、长的循环稳定性以及较大的应用前景。 (3)首先采用水热法以镍网为基底并在不同温度下合成了形貌各异的C0304纳米阵列结构。通过比较分析,我们选取了在120。C水热反应时生长的C0304纳米针状阵列结构进行下一步实验。然后,通过牺牲ZnO模板法在C0304纳米针表面包覆一层密集的片状α-Fe_2O_3,获得了一种“核-壳”型的纳米复合材料。利用XRD、SEM、TEM和Raman等测试手段分别对Co3O4NNs和Co3O4/a-Fe2O3NNs的晶体结构、微观形貌和化学组成进行了表征分析。最后,分别测试了Co3O4NNs和Co3O4/α-Fe2O3NNs材料应用在锂离子电池(LIBs)电极中的电化学性能,结果表明核壳型Co3O4/a-Fe2O3纳米阵列复合材料较单一组分材料具有较高的能量密度和较大的应用前景。

【关键词】：
【学位授予单位】：信阳师范学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB383.1
【目录】：

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