新型MXenes基纳米复合材料的制备及其电容性能研究

发布时间：2020-09-16 12:05

　　 随着人类需求的日益增长,人类对于储能装置的要求也越来越高。超级电容器,是一种介于电介质电容器和电池之间的一种新型的电化学储能装置,有着几乎媲美传统的电介质电容器的功率密度,同时能量密度相对较高,特别适合于高脉冲大电流的放电。其中电极材料是决定电容器性能的关键。MXenes材料是一类最新发现的类石墨烯二维材料,具有结构稳定、导电性好、表面官能团丰富等特点,已经在超级电容器领域展示出了优良的应用前景。但是MXenes材料本身存在易团聚、易被氧化和自身的容量较低等缺点。如何提高MXenes材料的电化学性能是当前研究的热点。本论文以Ti_3AlC_2为原料,通过刻蚀和超声得到d-Ti_3C_2T_x。并以此为基础制得了两种新型MXenes基纳米复合材料,分别是d-Ti_3C_2T_x/α-Fe_2O_3和3D RGO/d-Ti_3C_2T_x,并研究了材料的组成对材料结构形貌和电化学性能的影响。(1)d-Ti_3C_2T_x:本文通过LiF/HCl、NH_4HF_2/HCl和HF三种刻蚀液分别刻蚀Ti_3AlC_2,成功将Al元素刻蚀掉;刻蚀得到的ml-Ti_3C_2T_x是一种层状的堆积结构,能明显的看到层与层之间的间隙;ml-Ti_3C_2T_x通过超声剥离得到单层或者少层的d-Ti_3C_2T_x。电化学性能测试表明d-Ti_3C_2T_x具有典型的双电层电容,在1 A/g的电流密度下,d-Ti_3C_2T_x的质量比电容达到了83.7 F/g。交流阻抗的结果也显示d-Ti_3C_2T_x的内阻和接触电阻都很小,扩散阻力也很小,这与文献报道的一致。(2)d-Ti_3C_2T_x/α-Fe_2O_3:通过在水中d-Ti_3C_2T_x胶体与CTAB分散的α-Fe_2O_3纳米粒子静电自组装,得到了MXenes(d-Ti_3C_2T_x)/α-Fe_2O_3纳米复合材料。SEM的结果显示:d-Ti_3C_2T_x片层负载在可可豆状的α-Fe_2O_3纳米粒子表面。这种结构提高了整个材料的电导率,提高了电子传输速率,并抑制了氧化铁的溶解,从而提高了材料的电化学性能。电化学测试的结果显示:材料的电压窗口高达1.2 V;在电流密度为2 A/g时电容达到405.4 F/g;在电流密度为20 A/g电容仍然由197.62 F/g(电容保有率48.75%)。另外,MXenes/α-Fe_2O_3纳米材料也显示出高的循环稳定性,在100 mV/s的扫速下,2000次CV循环后,电容量仍然有初始容量的97.7%。这展现出MXenes(d-Ti_3C_2T_x)/α-Fe_2O_3材料作为不对称超级电容器负极材料有极大的应用潜力。(3)3D RGO/d-Ti_3C_2T_x:通过CTAB辅助,d-Ti_3C_2T_x和GO在水中复合,然后在加入还原剂水合肼的条件下水热反应,最后冷冻干燥得到三维的3D RGO/d-Ti_3C_2T_x。SEM结果显示随着d-Ti_3C_2T_x的引入材料的孔道结构变得丰富,孔结构变多。这种材料作为一种自支撑材料可直接做电极,这样大大减小了器件的体积,同时也节约了成本。电化学测试的结果显示:在扫速为2 mV/s时,材料的比容量为164.9 F/g;当扫速增大到300 mV/s时,材料的比容量仍然有117.72F/g(容量保有率为71.4%)材料的循环性能也很优异,在200 mV/s的扫速下,CV循环了5000圈后材料的容量仍然有初始容量的98.3%。这表明3D RGO/d-Ti_3C_2T_x在柔性器件和消费电子产品领域有巨大的应用前景。
【学位单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

各种电化学储能装置的功率密度-能量密度图（Ragone图）

超级电容器结构图

图 1.3 双电层模型[3]：（a）Helemholtz 双电层模型；（b）Gouy-Chapman 双电层模型；（c）Stern 双电层模型。.4.2 赝电容（法拉第准电容）

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本文编号：2819833