金属氧化物纳米阵列结构的合成及其超电容性能的研究

发布时间：2018-06-05 16:48

本文选题：金属氧化物 + 阵列　；参考：《湖南大学》2015年博士论文

【摘要】：随着日益增长的移动电子设备对能源的需求,作为电化学储能元件,超级电容器因其快速充放电,高功率密度,长循环寿命和较低的成本,受到了广泛的关注。然而较低的能量密度限制了超级电容器在许多重要领域的应用。为了克服这一缺陷,研究者致力于提升超级电容器的能量密度,使其达到电池的水平。一种行之有效的方法是在导电基底上生长金属氧化物纳米阵列结构,直接作为无粘结剂的集成化电极。这样的设计在提高比容量,改善循环性能以及获得良好的倍率性能方面,具有突出的优势。因为阵列电极具有较为独特的几何结构特点。较高的比表面积提供了更多的活性位点,与基底材料保持紧密接触的纳米阵列可为电子的快速传递提供有效的通道,阵列单元之间的空隙有利于电解液离子扩散进入电极内部,复合核壳阵列可以发挥不同组分之间的协同作用。本文的研究目标在于采用简单环保的水热法合理设计不同种类的金属氧化物纳米阵列结构,并系统地研究阵列的生长过程以及不同阵列结构对性能的影响。研究它们在超级电容器应用方面的性能优势。研究内容主要包括以下几点:(1)在本章,我们报道了一种简单的无模板水热法在泡沫镍基底上大面积合成CoMoO_4纳米片阵列,CoMoO_4纳米片阵列的形貌通过扫描电镜和透射电镜来表征,纳米片的晶相结构通过XRD测试确定。通过一系列改变反应时间的实验,研究CoMoO_4纳米片阵列的生长过程,推测其形成机理。将CoMoO_4纳米片阵列直接作为无粘结剂电极应用于超电容的性能测试,CoMoO_4纳米片阵列表现出非常好的电容特性。在4 m A cm~(-2)电流密度下,纳米片阵列的比容量高达1.26 F cm~(-2)。在12 m A cm~(-2)电流密度下,4000次循环保持率为79.5%,其性能远优于CoMoO_4粉体材料。这主要归因于CoMoO_4完全可逆的电化学属性和纳米片阵列低电阻多通道的结构特点。(2)一种简单可行的无模板水热法用于在泡沫镍基底上合成NiMoO_4纳米线阵列,并构建高性能超级电容器。所制备的NiMoO_4纳米线阵列在大电流密度(112m A cm~(-2)即74.7 A g~(-1))下,表现出很高的比容量(1.96 F cm~(-2)即1308 F g~(-1)),并且具有良好的倍率性能和循环稳定性。这样突出的电容性能是因为一维纳米线阵列的电极结构,以及双金属氧化物中Ni与Mo两种元素的协同作用。我们的工作证实了合理设计新颖的先进电极材料的可行性,而且电极合成思路与设计理念,适用于在导电基底上大面积构建其他二元、三元金属氧化物阵列结构,作为高性能超级电容器的电极材料。(3)通过低成本绿色环保的水热法,成功地在柔性碳布基底上生长NiMoO_4纳米线阵列,并直接用于超级电容器性能测试。碳布上的NiMoO_4纳米线阵列在电化学测试中,具有较高的比容量。在电流密度为5 m A cm~(-2)时,比容量为1.27 F cm~(-2)(1587 F g~(-1))。在电流密度提高至30 m A cm~(-2)时,比容量保持在0.76 F cm~(-2)(951 F g~(-1))。而且,它具备良好的循环能力(在4000次充放电循环后,依然保持初始容量的76.9%)。我们将碳布上的NiMoO_4纳米线阵列构建成对称的双电极电容器元件进行测试,最大电压可达到1.7 V,同时获得较高的能量密度(70.7Wh kg~(-1))和功率密度(在14.1 Wh kg~(-1)能量密度下,功率密度为16,000 W kg~(-1))。这些研究结果表明,钼酸镍纳米线阵列具有较大的比表面积,结合柔性碳布基底,为实用型超级电容器提供了广阔的前景。(4)我们通过高锰酸钾与碳的氧化还原反应,在碳布上原位合成了有序的MnO_2纳米片阵列,运用SEM、TEM、XRD、TGA等多种手段表征其微观形貌结构。并通过对水热反应时间的调控,研究MnO_2纳米片阵列在碳布上的生长过程。研究结果表明,反应时间对MnO_2纳米片阵列的形貌有很大的影响。进一步地,我们将该阵列直接应用于超级电容器电极,研究MnO_2纳米片阵列的赝电容性能。该电极表现出较高的比容量(2.16 F cm~(-2),在电流密度为5 m A cm~(-2)下)和较好的倍率性能,这归因于有序的阵列结构和MnO_2纳米片阵列超薄片层与碳布之间的协同作用。3000次充放电循环后,MnO_2纳米片阵列电极的循环保持率为61.4%。具有高比表面积的MnO_2纳米片和高度有序的阵列结构,与柔性碳布基底相结合,为柔性电容器的构建和发展提供了良好的材料基础。(5)通过“两步法”水热反应,一种新颖的核壳复合结构NiMoO_4@MnO_2阵列在碳布上直接合成,并研究其超电容性能。NiMoO_4纳米线阵列和MnO_2薄纳米片的协同作用,大大提高了电容性能。NiMoO_4@MnO_2阵列在电流密度为8 m A cm~(-2)时,比容量为3.90 F cm~(-2)。在电流密度提高至24 m A cm~(-2)时,比容量保持在3.22 F cm~(-2)。同时,它具备理想的循环能力(在4000次充放电循环后,依然保持初始容量的90.5%)。这样的核壳复合纳米阵列结构具有优异的电化学性能,不仅具有高比容量,而且在长期循环稳定性方面也有出色表现。NiMoO_4@MnO_2阵列是一种理想的赝电容材料。
[Abstract]:In order to overcome this defect , the nano - arrays of CoMo _ 4 nanosheets have been studied by means of SEM and TEM . ( 2 ) A simple and feasible method is used to synthesize NiMoO4 nanowire arrays on foamed nickel substrate , and to build a high - performance super capacitor . The prepared NiMoO4 nanowire array has a high specific capacity ( 1.96 F cm ~ ( -2 ) , i.e . , 1308 F g ~ ( -1 )) , and has good multiplying power performance and cyclic stability . The growth process of MnO _ 2 nanosheet array on carbon cloth was studied by means of SEM , TEM , XRD and TGA .
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53;TB383.1

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