过渡金属化合物核—壳纳米材料的合成及电化学性能研究

发布时间：2020-11-20 13:04

　　 因为过渡金属化合物存在着独特的理化性能,和丰富的自然储备,从而一直活跃在日常应用和科学研究之中,尤其体现在催化、储能、电磁、传感等领域。越来越多的科研机构及高校致力于合成过渡金属化合物纳米材料以提升材料性能。在众多过渡金属化合物中,Cd、Co、Mn、Ni硫族化合物成为了科研的热点,因为其具备结构稳定、电化学性能突出等特点,而这些特点恰好满足科学家们对于超级电容器的研究。本文通过离子交换法、水热法等方法合成了一系列结构独特、电化学性能优异的过渡金属Cd、Co、Mn、Ni硫族化合物纳米材料。本文的主要研究内容为:1、采用简单的两步水热法,制备了一种一维的MnO_2@NiCo_2O_4核-壳纳米线。作为超级电容器电极,当电流密度是2 A g~(-1)时,比电容为684 F g~(-1),在15 A g~(-1)的大电流密度下,比电容保持在87.4%,拥有不俗的倍率性能。另外,把MnO_2@NiCo_2O_4、多孔碳以及KOH溶液分别作为非对称超级电容器的正极电极、负极电极和电解液,将其组装起来。该设备在电流密度为1 A g~(-1)时,呈现的比电容为114 F g~(-1)。在电流密度增大至4 A g~(-1)时,循环7000个周期后,电容保持在90%。结果表明,一维MnO_2@NiCo_2O_4核-壳纳米线可以作为优异的超级电容器材料。2、通过简单的离子交换法,在泡沫镍上合成了Ni Co_2O_4@Ni Co_2S_4核-壳纳米线阵列。作为超级电容器电极,在2 A g~(-1)的电流密度下,比电容达到3176 F g~(-1),在10 A g~(-1)的大电流密度下,比电容能保持在86.52%,拥有不俗的倍率性能。此外,把NiCo_2O_4@NiCo_2S_4、多孔碳以及KOH溶液分别作为非对称超级电容器的正极、负极和电解液,将其组装起来。该设备在功率密度为752.33 W kg~(-1)时,能量密度为196.8Wh kg~(-1)。以60 mV s~(-1)的扫描速率循环15000圈之后,比电容提高到137%。结果表明,NiCo_2O_4@NiCo_2S_4核-壳纳米线阵列是较好的超级电容器材料。3、采用一步水热法,在镍泡沫上合成了Ni_3S_2@CdS核-壳纳米材料。作为超级电容器电极,在2 mA cm~(-2)的电流密度下,比电容达到3.15 F cm~(-2)(2100 F g~(-1)),在15 mA cm~(-2)的大电流密度下,比电容能保持在86.7%,表现出优异的倍率性能。另外,把Ni_3S_2@CdS、多孔碳以及KOH溶液分别作为非对称超级电容器的正极、负极和电解液,将其组装起来。该设备在1.5 V电压下具有良好的电化学性能。在6 mA cm~(-2)的电流密度下,循环4000个周期后,比电容提高到原来的130%。该设备在电流密度为2 m A cm~(-2)时,表现出高能量密度为127.5 Wh kg~(-1)和相应的功率密度为0.995 kW kg~(-1)。结果表明,Ni_3S_2@CdS是不错的超级电容器的电极材料。
【学位单位】：安徽师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1
【部分图文】：

生活水平提高的同时，对能源的需求日益增长，对于生态环境的破坏也日益久以来，人们利用化石燃料和天然气等能源来满足生活和生产的需要，然而再生能源的不断消耗，经济发展与能源供给之间的矛盾日益加剧。为了实现境的友好发展，风能、太阳能、潮汐能等清洁可再生能源逐渐出现在当今的中。然而，能源在转移过程中容易遭受较大的损耗，因此需要开发高效的储解决此类问题[1-4]。电化学电容器，俗称超级电容器，是一种以界面双电层础的介于传统电容器与化学电池之间的新型储能体系，具有潜在的研究价值景[5, 6]。相比于传统电容器，超级电容器具有电容大和能量密度高的特点，功率密度也远大于燃料电池、蓄电池等化学电池，能够在极短的时间内完成放电任务。总的来说，超级电容器具备化学电池和传统电容器的优势，其性两者之间（如图 1-1 所示）。此外，超级电容器还具备温度区间宽、充电快期长、绿色环保等优点[7-9]。这些特点很好的符合当今社会发展的主题，能用在各大用电设备上。

1.1.2 超级电容器原理电极、电解液、隔膜是超级电容器的三大部分组成，其中影响电化学性能的主要因素是电极材料。超级电容器分为两大类：双电层型超级电容器[10, 11]，赝电容型超级电容器[12, 13]。双电层超级电容器是通过带电离子在电极表面的物理吸附进行储能，在电场作用下，阴、阳离子分别被正、负极吸附，最终在电极表面形成双电层。当撤销电场作用后，正负电极上电荷往外电路发生迁移从而形成电流。赝电容超级电容器是利用电活性物质发生可逆的氧化还原反应来储能。充电时，离子迁移至电极/电解液界面，发生氧化还原反应进入电活性物质的体相中，因此能将大量的电荷存储在电极材料中。放电时，电活性物质会发生氧化还原逆反应，产生的电荷通过外电路释放形成电流，而离子则进入到电解液中。总的来说，双电层超级电容器储能的关键在于离子电导，在电场作用下，离子不断在正负电极表面进行吸脱附，因此其反应时间短、电阻小。而赝电容超级电容器工作时要发生一系列化学反应，因此反应时间较长，电容量较大。图 1-2 中(a)和(b)分别为双电层电容器和赝电容器的工作原理图。

图 1-3 (a–c) 为 NiO 介晶的 SEM 图，(d–f) 为 NiO 介晶的 TEM 图，高分辨图以及对应的选区电子衍射图，(g–k) 为 NiO 介晶的 SEM 图以及 EDX 映射图图介晶的形貌图以及循环性能图。Figure 1-3 The (a–c) SEM images, (d–f) TEM and HRTEM images with a corresponding selected arelectron diffraction (SAED) pattern (inset in e), (g–k) SEM and corresponding EDS mapping imagesQiu 课题组[34]认为构建具有理想形态和尺寸的过渡金属氧化物纳米结构是追高性能电极材料的关键所在。他们通过两步水热法成功地在泡沫镍上合成了超Co3O4纳米片，该材料的厚度大约为 10 nm。如图 1-4 为超薄 Co3O4纳米片的合成意图。首先，通过简单的水热法在泡沫镍基底上形成 Co(OH)2纳米片，在第二步水反应中，加入钴盐以及适当的碱性原料（尿素或者六亚甲基四胺），形成了不同形和尺寸的纳米结构，最后退火形成超薄 Co3O4纳米片。作为超级电容器电极材料，在 1.8 A g 1(5 mA cm 2)的电流密度下，获得较高比电容（1782 F g 1），远高于较厚的纳米级（300 F g 1）。超薄纳米片阵列电极表出良好的倍率性能，在电流密度为 30 mA cm 2时保持初始容量的 51％，并具有出的长期稳定性，在 2000 次循环后仍保留 90％的电容。他们认为如此高的性能归功
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘汉钦;过渡金属化合物的NMR(英文)[J];波谱学杂志;1989年01期

2 梁业广;d轨道分裂和过渡金属化合物性质的研究[J];广西物理;2002年01期

3 刘汉钦;过渡金属化合物的核磁共振[J];波谱学杂志;1995年05期

4 ;过渡金属化合物的合成及其物理性质研究取得重要进展[J];稀土信息;2008年07期

5 ;中国专利[J];合成树脂及塑料;2013年04期

6 ;金属与导电材料[J];电子科技文摘;1999年09期

7 陈树建;张欣豪;林振阳;吴云东;薛子陵;;d~0过渡金属化合物对氧气反应性:合成和反应机理研究[J];中国科学(B辑:化学);2009年11期

8 沈伊民,李伯符,孙家钟;过渡金属化合物能谱的理论计算[J];物理化学学报;1991年04期

9 王志中,李向东;过渡金属化合物的CNDO计算(Ⅰ)——某些络离子与原子簇的电子结构[J];吉林大学自然科学学报;1981年01期

10 张金超,韩勤业,龚钰秋;贵金属和过渡金属化合物在癌症化学疗法中的应用[J];邯郸医专学报;1997年01期

相关博士学位论文 前10条

1 刘梦佳;基于过渡金属化合物的催化剂的制备与电催化性能研究[D];清华大学;2016年

2 张霄鹏;过渡金属化合物光谱研究[D];中国科学技术大学;2004年

3 齐燕飞;功能化多金属钒酸盐的控制合成、结构和性质研究[D];东北师范大学;2008年

4 刘军;二元过渡金属化合物中空结构的化学合成研究[D];大连理工大学;2011年

5 周虎;八氰基镧系金属和过渡金属化合物的设计合成与性能研究[D];扬州大学;2013年

6 赵嘉峰;过渡金属化合物的电子结构研究与调制[D];复旦大学;2009年

7 黄凯;过渡金属化合物纳米材料的可控制备及性能研究[D];北京邮电大学;2016年

8 徐源慧;钙钛矿型过渡金属化合物的电子和磁性质的第一性原理研究[D];燕山大学;2012年

9 王霞;过渡金属化合物微纳结构的构筑及性能研究[D];北京理工大学;2015年

10 张丹丹;水溶过渡金属化合物催化脱氢反应的理论研究[D];吉林大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 石波;过渡金属化合物核—壳纳米材料的合成及电化学性能研究[D];安徽师范大学;2018年

2 刘志贺;过渡金属化合物基三维电极及其电催化分解水性能研究[D];山东大学;2018年

3 覃虎川;过渡金属化合物改性聚氯乙烯燃烧性能的研究[D];湖北工业大学;2016年

4 李晓艳;碳/过渡金属化合物纳米结构的合成及电化学性能研究[D];青岛科技大学;2018年

5 季鹏辉;变价过渡金属化合物载体对提升锂硫电池电化学性能的研究[D];重庆理工大学;2018年

6 朱鹏;层状过渡金属化合物Fe_3GeTe_2电子结构和磁学性质的研究[D];长沙理工大学;2017年

7 罗佳娴;基于过渡金属化合物的制备及其催化析氢性能的研究[D];暨南大学;2018年

8 赵蒙晰;过渡金属化合物与碳纳米纤维复合材料的合成及其电化学性能研究[D];江苏大学;2017年

9 高坤;有机过渡金属化合物反应体系的理论研究[D];辽宁师范大学;2006年

10 黄海华;过渡金属化合物相转变的第一性原理计算[D];吉林大学;2016年

本文编号：2891459