镍锌基金属复合物纳米材料的制备以及电化学性能研究

发布时间：2020-04-12 14:35

【摘要】：镍基复合物,由于具有高的容量、优异的导电率和粗糙度,是作为超级电容器电极材料优良的候选者之一。而元素锌本身不具有氧化还原特性,但可以与元素镍形成协同效应。同时,利用金属阳离子与不同阴离子的优势互补,可以优化性能。但是传统的过渡族金属氧化物或者氢氧化物都具有一个明显的缺点就是导电性偏低,为此,我们设计了两种不同的思路去解决这个问题。本论文主要对镍锌基纳米复合材料的合成及其在超级电容器(SC)方面做了研究和改善。通过调控材料的形貌,优化导电性,从而得到优异的比电容和倍率性能以及耐久性。研究内容主要如下:1.采用简单的两步水热法制备了均匀分布的的掺硫的碱式碳酸镍锌(NZSC-4)纳米粒子,使碱式碳酸镍锌(NZC)前驱体得到高度分散,然后进行硫化,提高了导电性。同时,其比表面积高达226 m~2 g~(-1),产生大量的氧化还原位点,可有效减少充放电过程中的体积变化。作为正极材料,NZSC-4在1 A g~(-1)时表现出1634 F g~(-1)的高电容值和优异的倍率性能(在20 A g~(-1)时73%的倍率保持率)。此外,以NZSC-4为正极,活性炭(AC)为负极,组装全固态不对称超级电容器(ASC)。ASC在0.85 kW kg~(-1)的功率密度下,在0-1.7 V的高电压范围内表现出36.17 Wh kg~(-1)的高能量密度,并具有较低的漏电流和自放电。两个完全充电的ASC(串联)可以有效地为白色发光二极管(LED,大于3 V的工作电压)供电,随后在白色灯泡消耗部分能量之后,仍然可以为黄色LED和红色LED供电。因此,作为赝电容材料的NZSC-4具有潜在的应用价值。2.碳点(CD)/磷酸盐复合物(NZP-10)通过预先制备的碳点与焦磷酸钠水热反应形成桑葚状的镍锌磷酸盐混合物。这种外观类似于零维的纳米粒子,通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)观察到CD主要位于材料的表面,这样的结构将使CD在制造成电极材料时充分接触电解质。鉴于不同浓度碳点掺杂的磷酸盐表现出不同的形貌,也展现在性能的各异,说明CD的浓度对于材料是十分敏感的。合成的桑葚状复合物NZP-10纳米材料在1 A g~(-1)的电流密度下具有1885.7 F g~(-1)高的比电容,并且在3000次循环之后仍然具有初始电容的98.7%,这主要是由于桑葚状的镍锌磷酸盐结构和CD的存在大大提高了材料的稳定性。NZP-10和AC分别作为非对称超级电容器的正极和负极,具有高的比电容(89.2 F g~(-1)),高的能量密度33.7 Wh kg~(-1)(当功率密度达到824.9 W kg~(-1))。综上所述,本文主要研究了镍锌基金属材料的合成以及电化学性能,通过掺硫或者CD调整形貌,获得更理想的结果。镍锌基金属材料表现出的电化学优势,使其成为潜在的新一代储能材料。
【图文】：

创造具有超快速充电/放电和高倍率性能的新反应机制的电极材料。科学家通过对电极材料的物理控制（包括粒径，比表面积，电导率，相结构和晶体）后发现，在金属离子电池的某些电极材料中发现了赝电容的存在，被称为“插入赝电容”现在研究最多的用于插层赝电容的电极材料主要是有机电解质中的纳米结构TiO2(B)，Nb2O5和 MoO3[27, 28]。目前可充电电池的性能主要由电极材料晶体结构中阳离子（氢离子或锂离子），以及晶体结构内其他活性金属离子的氧化还原反应决定。（图 1.1a）例如，在 Ni-MH 电池的充电过程中，质子(H+)从 Ni(OH)2阴极的晶体骨架中迁出（即脱嵌）以形成 NiOOH。在放电时，，质子被插入晶体骨架中以形成 Ni(OH)2。显然充/放电与 Ni2+/Ni3+离子的氧化还原和电子增益/损耗相结合（图 1.1a）。类似地，常规锂离子电池的充电/放电取决于 Li+嵌入/脱嵌[29]。

图 1.2 (a)三维自立式无粘结剂自支撑 Ni@NiO 纳米线膜的示意图，“核”Ni 纳米线网络和“壳”NiO 层分别作为集电体和活性材料；(b)电化学性能。Figure 1.2 (a) Schematic illustration of the 3D free-standing binder-free Ni@NiOnanowire membrane, the “core” Ni nanowire networks and “shell” NiO layer work ascurrent collector and active materials, respectively; (b) Electrochemical performance采用水热合成方法制备了碳纤维表面的 α-Fe2O3/NiO 纳米结构[43]。NiO 纳米片直接长在 α-Fe2O3纳米棒上而不使用任何辅助材料，然后直接应用到超级电容器上。该灵活的超级电容器在 1 mAcm-2的 3000 次循环后具有 96.2%的容量保持率，并且面积电容为 557mFcm-2。不同电化学活性材料的适当组合产生了增强的电化学性能。分子式为 ZnO2和 ZnO 的氧化锌具有立方和六方晶体两种结晶相。ZnO 具有三种主要的晶体结构岩盐矿、纤锌矿和闪锌矿。此外，氧化锌用于各种应用，如
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

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本文编号：2624830