金属氧化物的合成及与多壁碳纳米管复合作为赝电容超级电容器的性能研究
发布时间：2020-04-24 16:34
【摘要】：本文对钴、锌、铁金属氧化物的合成、多壁碳纳米管(MWCNTs)与金属氧化物的复合及在超级电容器方面的电化学行为进行了研究。研究的详细内容和所得到的成果如下所示:1)通过一种两步合成方法在泡沫镍上合成ZnCo_2O_4/ZnO@MWCNTs复合物,MWCNTs均匀覆盖形成双导电的结构,ZnO一方面能促进纳米片中ZnCo_2O_4的电子传递,另一方面能够在反应过程中对纳米管进行反包覆。使得原本机械包覆的碳材料转变成化学结合。将这种夹层状复合物直接用作超级电容器正极,展现出了1840.2 F g~(-1)的比电容,在3000次循环之后仍有80.2%的容量保留。2)我们以活性炭为负极,以ZnCo_2O_4/ZnO@MWCNTs为正极组装了Zn1Co2@MWCNTs//AC非对称性超级电容器,器件在1A g~(-1)的电流密度下有111.8F g~(-1)的比电容,在功率密度为900 W kg~(-1)时具备能量密度为48.1 W h kg~(-1)。四个红色LEDs灯和一个黄色LED灯分别被点亮,红灯在明亮发光状态下能够保持23分钟,黄色则能持续55分钟。因此,我们所制备的这种非对称的超级电容器作为电化学的能量储存器件被认为具备很大的可利用前景。3)优化合成方法制备高比电容的Fe_3O_4基复合物,最终获得能将Fe_3O_4和MWCNTs结合更好的实验方案。通过两种不同方法,我们分别合成了Fe_3O_4/Fe-MWCNTs纳米复合物和Fe_3O_4/MWCNTs@MnO_2复合物,探究它们做超级电容器负极的性能。首先用一种简便的吸附和NaBH_4还原方法在室温下合成了Fe_3O_4/Fe-MWCNTs纳米复合物。与传统的合成方法(共沉淀、热分解、高温溶剂热法)相比,此种方法在材料消耗、环境友好等诸多方面都有明显的优势,而且操作简单。Fe_3O_4/Fe-MWCNTs相比于单纯Fe_3O_4颗粒,比电容得到提高,电压区间增大。我们对其合成的机理做出解释,包括铁离子如何在碳纳米管表面的官能团上附着,如何演化成最终的Fe_3O_4/Fe颗粒。为了继续提高Fe_3O_4与MWCNTs结合生成的复合物的电化学性能,我们用水热法合成了Fe_3O_4/MWCNTs复合物,该合成方法相对简单,合成样品中的Fe_3O_4具有非常均匀地纳米球型形貌,球体粒径基本保持在30 nm。Fe_3O_4与多壁碳纳米管紧密的结合,形成了广泛的导电网络。电容性能实现了明显的提升。在1A g~(-1)的电流密度下能够放电633 s,比电容可以达到489.2 F g~(-1),较比以往的Fe_3O_4基电容器,电容提升30%。在此基础上,我们继续生长一层MnO_2得到Fe_3O_4/MWCNTs@MnO_2,有效改善样品的循环稳定性。MnO_2以薄网状覆盖在Fe_3O_4@MWCNT上,使其结合紧密。同时,我们单独合成了Fe_3O_4球状颗粒作为对照组。我们所合成的Fe_3O_4/MnO_2@MWCNTs具有媲美活性炭的电化学性能,因此具有良好地发展前景。
【图文】：
图 1.1 双电层电容器的储能和能量释放示意图Fig.1.1 Schematic diagram of energy storage and energy release of double layercapacitors1.3.2 法拉第赝电容电容器法拉第赝电容电容器也常被称为伪电容电容器和电化学电容器，它们在充放电的过程中，电极表面上的电活性物质具有快速可逆的氧化/还原反应或法拉第电荷转移反应，因此可以存储能量。法拉第赝电容可通过两种方式来存储电荷：一种是双电层式的，通过对离子的吸附实现对电荷的存储，另一种则是上述提到的氧化还原反应产生的能量存储，后者较为核心。1957-1981 年，赝电容电容器才逐渐进入人们的视野。相比于传统电容，它具有更高的能量密度，相比于锂电池，它则弥补了功率密度的不足。然而，赝电容材料在存储和释放电能的过程中，由于需要发生复杂的化学反
图 1.2 （a）线状超级电容器——摩擦纳米发电供电储能系统；（b）FSC 中RuO2·xH2O@CarbonFiber 电极的 SEM 图像；（c）RuO2·xH2O 覆盖在碳纤维上的的 SEM 图像，插图为碳纤维 SEM 图像Fig.1.2 (a) Schedule of integrating the fiber-based supercapacitor triboelectricnanogenerator power system; b) SEM image of RuO2·xH2O@CarbonFiberelectrode of FSC; (c) RuO2·xH2O coating on a single fi ber, with a single carbon fiber shown in the up-right cornerNi(OH)2和 Co(OH)2具有高理论电容（Ni(OH)2为 3460 F g-1，Co(OH)2为 2584F g-1）[25, 26]、低成本、储量丰富以及明显的氧化还原行为。如图 1.4 所示，，合成Ni(OH)2和 Co(OH)2最普遍和最高效的方法是在泡沫镍上原位生长，获得的薄片状氢氧化物不仅拥有较高的比表面积，同时具有超高的比电容。然而，由于这些材料较高的内电阻，阻碍了电解质/电极界面的电子传输，因此 Ni(OH)2和 Co(OH)2及其复合物所达到的电容低于理论比电容。具有双金属的复合材料可以用其积累
【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】：TM53;TB332
本文编号：2639158
【图文】：
图 1.1 双电层电容器的储能和能量释放示意图Fig.1.1 Schematic diagram of energy storage and energy release of double layercapacitors1.3.2 法拉第赝电容电容器法拉第赝电容电容器也常被称为伪电容电容器和电化学电容器，它们在充放电的过程中，电极表面上的电活性物质具有快速可逆的氧化/还原反应或法拉第电荷转移反应，因此可以存储能量。法拉第赝电容可通过两种方式来存储电荷：一种是双电层式的，通过对离子的吸附实现对电荷的存储，另一种则是上述提到的氧化还原反应产生的能量存储，后者较为核心。1957-1981 年，赝电容电容器才逐渐进入人们的视野。相比于传统电容，它具有更高的能量密度，相比于锂电池，它则弥补了功率密度的不足。然而，赝电容材料在存储和释放电能的过程中，由于需要发生复杂的化学反
图 1.2 （a）线状超级电容器——摩擦纳米发电供电储能系统；（b）FSC 中RuO2·xH2O@CarbonFiber 电极的 SEM 图像；（c）RuO2·xH2O 覆盖在碳纤维上的的 SEM 图像，插图为碳纤维 SEM 图像Fig.1.2 (a) Schedule of integrating the fiber-based supercapacitor triboelectricnanogenerator power system; b) SEM image of RuO2·xH2O@CarbonFiberelectrode of FSC; (c) RuO2·xH2O coating on a single fi ber, with a single carbon fiber shown in the up-right cornerNi(OH)2和 Co(OH)2具有高理论电容（Ni(OH)2为 3460 F g-1，Co(OH)2为 2584F g-1）[25, 26]、低成本、储量丰富以及明显的氧化还原行为。如图 1.4 所示，，合成Ni(OH)2和 Co(OH)2最普遍和最高效的方法是在泡沫镍上原位生长，获得的薄片状氢氧化物不仅拥有较高的比表面积，同时具有超高的比电容。然而，由于这些材料较高的内电阻，阻碍了电解质/电极界面的电子传输，因此 Ni(OH)2和 Co(OH)2及其复合物所达到的电容低于理论比电容。具有双金属的复合材料可以用其积累
【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】：TM53;TB332
【参考文献】
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1 荣耀光;梅安意;刘林峰;李雄;韩宏伟;;全固态介观太阳能电池:从染料敏化到钙钛矿[J];化学学报;2015年03期
本文编号：2639158
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