钴、镍基金属配合物衍生纳米复合材料的合成及其赝电容行为研究

发布时间：2020-05-23 03:36

【摘要】：过渡金属氧化物是最早发现和研究的赝电容电极材料。过渡金属镍、钴等具有多种价态,为超大赝电容的产生提供了可能性。单一的金属材料已经不能满足科技发展对超级电容器的要求,因此,越来越多的复合电极材料,如金属化合物-碳复合材料、金属化合物-聚合物复合材料、金属氧化物-金属硫化物复合材料,因其优异的导电性、较高的稳定性而受到研究人员的日益关注。本论文以钴、镍配合物为前驱体,通过热处理方法得到氧化钴/碳(CoO/C)、镍/氧化镍/碳纳米管(Ni/NiO/CNTs)和镍/二硫化三镍(Ni/Ni_3S_2)复合材料,在碱性电解液中对三种电极材料进行电化学测试并研究其电容性能,研究内容如下:(1)采用固相反应法,将硝酸钴和三聚氰胺充分混合研磨,经过煅烧得到CoO/C复合材料。采用红外(IR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和X-射线衍射(XRD)等技术对材料进行表征,结果表明CoO/C呈多孔状形貌,增大了电极表面反应的接触面积。电化学测试结果证明,在电流密度为1 A/g时,CoO/C复合材料的比电容达到1015F/g。在电流密度为10 A/g时进行循环稳定性测试,1000次循环后,CoO/C复合材料的比电容保持率高达94.8%。以CoO/C为正极,以活性炭(AC)为负极,构建CoO/C//AC非对称电容器(ASC),其功率密度为798 W/kg时,能量密度为12.3 Wh/kg。(2)以镍离子作为中心离子,以均苯三甲酸(H_3BTC)作为桥联配体,通过水热法合成球状金属配合物Ni-BTC。进一步以Ni-BTC为前驱体,在氩气氛围中于435 ~oC下煅烧8 h。表征实验表明,均苯三甲酸含富六原子碳环,在镍离子的催化下可以转化成碳纳米管(CNTs),生长在材料表面,从而得到Ni/NiO/CNTs复合材料。电化学测试表明,在电流密度为4 A/g时,Ni/NiO/CNTs复合材料的比电容经计算为1472 F/g,明显高于Ni-BTC的比电容(738 F/g)。当电流密度增加至20 A/g,Ni/NiO/CNTs和Ni-BTC的比电容分别降为748 F/g和508 F/g。在8 A/g下进行5000次循环充放电后,Ni/NiO/CNTs的电容保持率比Ni-BTC高32.8%。实验表明Ni/NiO/CNTs复合材料具有更好的赝电容性能。以Ni/NiO/CNTs为正极、AC为负极构成的Ni/NiO/CNTs//AC非对称电容器,在810 W/kg的功率密度下,其能量密度高达27.9 Wh/kg。(3)将硝酸镍和2-甲基咪唑溶于甲醇中,采用溶剂热法,在140 ~oC下合成花状Ni-ZIF材料。以升华硫作为硫源,以Ni-ZIF为前驱体,在管式炉中煅烧得到Ni/Ni_3S_2复合材料。相同条件下,不加硫源得到Ni/NiO复合材料。运用SEM、TEM、XRD、XPS等方法对Ni/Ni_3S_2复合材料进行表征,实验结果表明,片状的复合材料由Ni/Ni_3S_2纳米粒子组成。在4 A/g的电流密度下,Ni-ZIF、Ni/Ni O和Ni/Ni_3S_2的比电容分别为1289 F/g、1324 F/g和2222 F/g。在20 A/g的电流密度下测试三种电极的稳定性,1000次恒流充放电后,Ni/Ni_3S_2的保持率为73.4%,明显高于Ni-ZIF(54.3%)和Ni/NiO(64.4%)。在两电极体系中,以Ni/Ni_3S_2为正极、AC为负极,构建了Ni/Ni_3S_2//AC非对称电容器,在功率密度为800 W/kg时,能量密度为18.4 Wh/kg。
【图文】：

示意图,莱顿瓶,示意图,玻璃瓶

不可再生能源。能源短缺势必会在未来成为限可再生能源，特别是绿色、可再生能源的开。清洁能源，如太阳能、风能、潮汐能等，具点，为了更好地利用这类能源，必须开发相应。研究，可以追溯到 18 世纪中叶，，Dean Kleis早期研究和技术应用做出了贡献。莱顿瓶是最含水溶性酸性电解液的玻璃瓶。玻璃瓶的内外属棒的上端是金属球、下端是金属链，金属）。当带电体与金属球相互触碰时，带电体玻璃瓶内壁，当导电体与金属球再次触碰时，到储存电荷的目的。近年来，人们对电能的研究也不断加深，电容器行业逐渐发展起来。

双电层电容器

图 1-2 双电层电容器结构原理图双电层容器储能机理与赝电容器储能机理最大的差别在于其可逆性。双在储能过程中，充电与放电均不涉及电极材料的相变与化学组成的变化主要是将能量储存在由电极和电解质界面构成的电化学双层结构上，因层电容的大小主要取决于两方面，一是电解质离子，二是电解液可接触材料的表面积[15]。如图 1-2 所示，充电时，外电路的电子沿导线移动到，电解质中的阴阳离子在溶液内部与充电界面间迁移，使正负电荷分居开的界面。放电时，电极表面积累的电荷回到电解液中, 在外电路产生。充放电过程中没有发生通过电极界面的电子迁移，仅仅是电容器电极子的缺乏与剩余，因此双电层电容器的充放电过程高度可逆，其循环V）曲线的充电与放电部分表现为镜像关系。由于充放电过程中无氧化发生，所以，电流随电压的变化以恒定速率迁移，在理想状态下，双电
【学位授予单位】：闽南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O641.4;TB33

【参考文献】