金属硫化物、氮掺杂碳材料的设计合成及其电容性能研究

发布时间：2020-09-17 11:50

　　 超级电容器是一类绿色、高效、安全和长寿命的能源器件,具有显著的倍率和功率密度优势,在对功率输出和充放电速率有较高要求的启停装置、辅助动力电源、脉冲设备和便携电子产品方面有重要应用前景。电极材料是超级电容器电荷储存和传输的主体,设计高性能法拉第电极材料、优化电子、离子传质通道和结构韧性,并构建非对称电容器件是提高电容器储能容量、能量密度,循环寿命的关键,也是此领域研究开发的重点。金属硫化物是一类非常重要的法拉第电容材料,具有较高法拉第活性和较窄带隙能,是一类高比容电极材料。进一步合成双金属硫化物、异质结构以及复合物,可以通过不同元素或不同组分之间的相互作用提高电极法拉第活性,同时通过构建多级结构提高活性材料表面积、电子离子导电性以及结构韧性,有望全方位提高硫化物电极的储能容量、倍率和循环性能,从而制作高性能和长寿命的电容器件。本论文主要涉及不同结构双金属硫化物、异质结构硫化物以及硫化物复合物的设计合成及其在非对称电容器件方面的应用性能。此外,我们开展了氮掺杂碳质材料的合成、表征与电容性能分析,利用其双电层电容特性提高非对称电容器件的功率输出能力,具体研究内容主要包括以下几个方面:1、经过两步水热沉积在泡沫镍基底表面先后沉积CoNi_2S_4和石墨烯(rGO)形成CoNi_2S_4-rGO复合物活性电极,rGO在CoNi_2S_4阵列结构活性层表面的包覆处理能在不降低电极储能容量的同时明显改善电极材料的循环性能。该复合物电极能提供1988 Fg~(-1)(1 Ag~(-1))的比容,同时具备良好倍率和循环稳定性。将该CoNi_2S_4-rGO电极与双电层的墨水碳电极组装成CoNi_2S_4-rGO//AC非对称电容器件,其电压窗口可拓宽至1.6 V,能提供52 Whkg~(-1)的能量密度和良好循环性能,可用作高能量密度和长寿命的电容器件。2、以泡沫镍为集流体和镍源,通过水热沉积在泡沫镍集流体表面沉积Co前驱体纳米纤维阵列前驱体,再经过一步硫化处理,形成Co_3S_4@Ni_3S_4多孔异质结构阵列复合物电极,该电极在2 M KOH电解质体系中能提供3.6 Fcm~(-2)的面积比容(0.8 mAcm~(-2)),良好倍率和循环性能;基于此异质结构多孔阵列电极构建的Co_3S_4@Ni_3S_4//PC非对称电容器件面积比容为0.513 Fcm~(-2)(2 mAcm~(-2)),该器件在面积功率密度1.39~63.3 mWcm~(-2)范围内的能量密度0.18~0.035 mWhcm~(-2),同时具有较慢的自放电行为和良好循环性能。3、采用水热反应和后续的硫化处理在泡沫镍集流体表面上先后沉积Co_3O_4和Ni_3S_4,形成了由交联层状初级单元组装的三维网状Co_3O_4@Ni_3S_4结构复合物活性层。电化学测试表明,Co_3O_4@Ni_3S_4纳米网电极比电容高达4.92 Fcm~(-2)(1 mAcm~(-2)),在30 mAcm~(-2)电流密度下比容仍能保持在0.94 Fcm~(-2)。4、采用富勒烯碳渣作为碳基体,通过不同氮源的掺杂和活化处理,制备出氮掺杂碳多孔微球材料。这类氮掺杂碳材料具有较高的电化学及电催化活性。在酸性电解质体系下测试了不同掺杂、活化处理温度以及氮元素含量对电容性能的影响,该氮掺杂碳材料比容可达230 Fg~(-1)(1 Ag~(-1)),可用作高容量碳质电极材料。
【学位单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB332;TM53
【部分图文】：

电容（M 表示金属原子）如图 1-2 所示。如果电解质中的阴离子参与了可逆的氧化还反应，它们会向着相反的方向移向阳离子。对于 EDLCs 来说，最大的电压窗口（Vm）要是取决于所用的电解质，其稳定性也受到电解液的限制。对于 EDLCs 来说，碳纳材料是较好的材料，由于其具有独特结构、较大的比表面积，较高化学和机械稳定性较好的导电性和较低的成本。在 EDLCs 中，不同形式的碳材料可以用来储存电荷上，如活性碳、碳气凝胶和碳纳米管。

图 1-2 超级电容器的机理图：（a）EDLCs，（b）赝电容（M 代表的是金属离子混合电容器容器件同时兼有两种储能原理，即在电极和电解质界面间同时具有离子吸

电解质对超级电容器性能对的影响

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 霍文兰;马向荣;;二元镍铝水滑石制备、表征及其电容性能研究[J];榆林学院学报;2017年06期

2 杨应昌;王丽容;滕明洋;;钴氧化物的电化学制备及超级电容性能研究[J];广东化工;2017年10期

3 张翔;刘健;毕红;;氮掺杂多孔碳的制备及其电容性能[J];安徽化工;2016年06期

4 周晓平;冯宗财;马琳;许丽梅;徐旭耀;;片状三氧化钼的合成及超电容性能研究[J];电源技术;2015年08期

5 潘陈玉洁;郭秋萍;王黎阳;杨彩凤;赵建伟;秦丽溶;;氢氧化镍纳米片的制备及其超级电容性能[J];西南师范大学学报(自然科学版);2015年01期

6 张涛;郑明波;李念武;吕洪岭;曹洁明;;梧桐皮基高比表面积碳材料的制备及其超电容性能[J];化工新型材料;2013年10期

7 石超;杨培培;张明亮;孔德蕊;孟晴;张叶臻;;石墨纸/二氧化锰复合材料的制备及其电容性能研究[J];辽宁化工;2017年09期

8 尚嘉茵;王奇观;王素敏;;石墨烯/聚吡咯复合物的制备及超级电容性能研究[J];精细化工中间体;2016年04期

9 ;海外传真[J];发明与创新(大科技);2016年11期

10 李常雄;戴亚堂;张欢;马欢;贾玉蓉;周龙平;张杰;;循环伏安法共聚苯胺/吡咯及其超级电容性能[J];化工学报;2012年10期

相关会议论文 前10条

1 孙红梅;孙振杰;陈红雨;舒东;;水钠锰矿的制备及超级电容性能研究[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年

2 孙红梅;彭亮波;文萃;陈红雨;舒东;;水钠锰矿的制备及超级电容性能研究[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年

3 刘晓霞;孙丽杰;窦玉倩;吴建;;基于无机-有机杂化的聚苯胺一维生长调控及超电容性能研究[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年

4 李庆伟;李园园;张经纬;霍开富;;多级孔泡沫碳材料的制备和电容性能[A];第一届全国储能科学与技术大会摘要集[C];2014年

5 周亚夫;高翼;周键;李曦;;基于酚醛泡沫的多孔碳材料制备及其电容性能研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十九分会：电化学材料[C];2016年

6 毕红;张翔;;氮掺杂多孔碳的制备及其电容性能研究[A];中部四省化学化工学会2016年学术年会摘要集[C];2016年

7 杨晓青;闫方玉;吴丁财;符若文;;有序炭的氨气改性及其超电容性能研究[A];第22届炭—石墨材料学术会论文集[C];2010年

8 张雅琨;陈亮;李建玲;王新东;叶锋;杨军;;不同电解液对聚苯胺电容性能的影响[A];中国化学会第28届学术年会第10分会场摘要集[C];2012年

9 程杰;曹高萍;杨裕生;;锰氧化物干凝胶电容性能研究[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年

10 唐永福;陈腾;陈顺姬;;过渡金属硫化物电极材料的形貌可控合成及其电容性能研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十分会：化学电源[C];2016年

相关重要报纸文章 前2条

1 倪永华;让“刹车”贡献出电能[N];科技日报;2004年

2 记者 刘肖勇 通讯员 姜天海;深圳先进院成功制备三维黑磷超级电容[N];广东科技报;2018年

相关博士学位论文 前10条

1 李一举;碳和碳基复合材料的制备及其超级电容性能的研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

2 闫朋涛;具有分等级孔结构碳基电极材料的制备及超级电容性能研究[D];燕山大学;2016年

3 徐晓阳;过渡金属氧化物基电极材料的制备及其电容性能研究[D];天津大学;2017年

4 武婷婷;碳材料的表面改性及其电容去离子性能研究[D];大连理工大学;2017年

5 张宁霜;石墨烯基纳米材料的制备及其超电容性能研究[D];湖南大学;2017年

6 徐江;碳化物衍生碳的形成机理及其超级电容性能研究[D];燕山大学;2015年

7 薛云;尖晶石型锰系氧化物的合成及超级电容性能研究[D];哈尔滨工程大学;2008年

8 时志强;炭基电化学电容器电极材料的制备与电容性能研究[D];天津大学;2007年

9 常玖利;碳质掺杂、复合材料的设计合成及其电容性能研究[D];河南师范大学;2017年

10 朱君秋;含锆（铪）活性氧化物的电容性能及其与结构的关系研究[D];福州大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 王亚州;导电聚合物柳絮热解碳复合材料的制备及其超级电容性能的研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

2 包路路;二氧化锰及其复合材料的制备与超电容性能研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

3 梁媛;熔盐合成MnCo_2O_4及其复合电极材料超级电容性能的研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

4 侯丁;基于聚多巴胺的复合材料制备及电容性能研究[D];安徽师范大学;2018年

5 陈晨;金属硫化物、氮掺杂碳材料的设计合成及其电容性能研究[D];河南师范大学;2018年

6 姚亚;碳材料/氧化铁复合材料的制备及其超级电容性能研究[D];杭州电子科技大学;2018年

7 张玲翠;过渡金属化合物及碳质电容材料的制备及性能研究[D];河南师范大学;2018年

8 刘甜甜;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[D];闽南师范大学;2018年

9 赵亚奇;NiCo_2O_4、CuCo_2O_4和CuFe_2O_4电极材料的制备及其超电容性能研究[D];西北大学;2018年

10 辛福恩;基于木材转化的碳电极及其电容性能提升[D];陕西师范大学;2018年

本文编号：2820687