过渡金属硫化物/氧化物电极材料的制备及其超级电容器性能的研究
发布时间：2021-01-12 07:46
开发高性能、高能量密度和高功率密度的超级电容器,一直是可再生能源领域中的研究热点。过渡金属硫化物、氧化物具有多个活性位点,可加快电子传递和传质速度并能促进电解质向纳米电极内部扩散。基于此,本研究设计合成了三种具有潜在应用前景的储能电极材料,主要研究内容如下:1.采用一步溶剂热法（SL,Solvothermal）合成松塔状结构的Ni-Co-Sx纳米阵列。经过优化的Ni-Co-S4材料具有较高比电容（2215 F g-1在0.5 A g-1的电流密度）,并且10000次循环后电容器保留率依然为90.16%。此外,将Ni-Co-S4作为阳极与作为阴极的活性炭,组装成高性能不对称超级电容器（Ni-Co-S4//AC）,电化学测试结果表明,此超级电容器装置具有36.6 W h kg-1的高能量密度,并且两个串联的Ni-Co-S4//AC能够点亮LED长达15分钟。2.利用溶液法（Solution method）在泡沫镍上沉积Co-MOF材料,并以此为前驱体（Co-MOF/NF）。采用电化学沉积的方法,在此前驱体Co-MOF/NF表面电沉积Ni-Co合金,从而制备出一种无粘结剂和导电添加剂的Ni-...
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电池和SCs在不同参数下的比较
第2页上海应用技术大学硕士学位论文应用，SCs是一个不错的选择，包括作为备用电源，以提供针对电源中断的保护。1.2超级电容器的研究超级电容器根据储能机理的不同分为两大类：一类是双电层电容器(EDLC);另一类是赝电容电容器(Pseudocapacitors)[7-9]。EDLC是最简易的商用超级电容器，电极浸入离子电解质溶液中，由于在电极上的电荷自发形成双层电极-电解质界面如图1.2[10]。静电荷通过物理吸附进而存储在电极和电解质之间的界面。EDLC的最重要的特点就是在电极和电解质的界面之间没有电荷转移发生，即没有发生氧化还原反应。EDLC的比电容/电容强烈依赖于电极材料比如碳的表面性质材料。EDLC电极的电容可以根据下述公式进行计算：=（1-1）其中εr和ε0分别是电解质介电常数和真空介电常数，A是离子接触的有效表面积，而d是双电层之间的间隔距离，即德拜长度[11]。在静电过程中，在短时间内就能形成双电层，约为10-8s，小于赝电容发生的法拉第反应（10-2~10-4）。EDLC的充放电仅涉及电荷重排，所以双电层可以立即对潜在的变化做出响应。图1.2EDLC原理图Fig1.2SchematicdiagramofEDLC赝电容电容器主要通过电极材料与电解液之间在电极表面发生快速的氧化还原反应储存电荷[12]。该原理的产生式与电极材料的价态相关。二氧化钌（RuO2）是第一个显示出赝电容性能的电极材料，RuO2薄膜电极上发生电荷转移进而产生电荷存储[13]。所以赝电容电极材料的最大特征就是能够发生快速的氧化还原反应。该机制来源于表面快速可逆的氧化还原热力学，其中电容呈现线性关系，主要原因在电荷量（ΔQ）和电势（ΔU）之间呈现线性变化[14]。赝电容的活性中心位于金属氧化物表面附近，距离
1MOFs简介金属有机骨架（MOFs）。MOFs材料的组装依赖于多种材料的结合，比如金属簇和有机连接基[45]。这些构件是通过他们协调搭配而又彼此区别（金属）或对称性和公制参数（连接子）。在这可以将它们定位在成长中的特定位置点阵，减轻了随机性和无序性。根据等网原理，官能团可以是放置在不干扰框架的有机连接子上的一个部件。因此，附近的特定官能团产生精确控制的孔隙环境。这种空隙以这种方式构成并且定义了一些设计器功能，包括气体存储和协同催化[46]。所以在催化、储能、分离方面具有巨大的应用潜力如图1.3。图1.3MOFs不同排列方式组成的结构和应用Fig1.3MOFsdifferentarrangementofthecompositionofthestructureanditsapplication.1.4.2MOFs的制备方法MOFs的合成方法有很多：1、浸渍法[47]：浸渍法是制备负载型纳米催化剂的简单策略，然而，很难获得均匀的粒径分布。2、沉积-沉淀[48]：用沉积沉淀法制备的纳米材料粒径均一，分散性好。但是，沉积沉淀法仅适用于具有高BET表面积和合适的载体材料。而且，这种方法不适合装载高含量的金属纳米颗粒。3、胶体沉积法[49]：此种方法是将金属纳米粒子沉积在载体材料上的常用途径，具有可控制的粒径，高分散性和稳定性。1.4.3MOFs的应用MOFs材料的应用在分离，纯化，催化，吸附等[50]。MOF材料可能与原始复合材料相似或不同。MOFs因具有大的骨架结构，所以增加比表面积，当然孔隙率也有大幅度的增加，所以晶体分散率高于沸石材料。MOFs可以作为催化剂材料，这是因为它可
本文编号：2972450
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电池和SCs在不同参数下的比较
第2页上海应用技术大学硕士学位论文应用，SCs是一个不错的选择，包括作为备用电源，以提供针对电源中断的保护。1.2超级电容器的研究超级电容器根据储能机理的不同分为两大类：一类是双电层电容器(EDLC);另一类是赝电容电容器(Pseudocapacitors)[7-9]。EDLC是最简易的商用超级电容器，电极浸入离子电解质溶液中，由于在电极上的电荷自发形成双层电极-电解质界面如图1.2[10]。静电荷通过物理吸附进而存储在电极和电解质之间的界面。EDLC的最重要的特点就是在电极和电解质的界面之间没有电荷转移发生，即没有发生氧化还原反应。EDLC的比电容/电容强烈依赖于电极材料比如碳的表面性质材料。EDLC电极的电容可以根据下述公式进行计算：=（1-1）其中εr和ε0分别是电解质介电常数和真空介电常数，A是离子接触的有效表面积，而d是双电层之间的间隔距离，即德拜长度[11]。在静电过程中，在短时间内就能形成双电层，约为10-8s，小于赝电容发生的法拉第反应（10-2~10-4）。EDLC的充放电仅涉及电荷重排，所以双电层可以立即对潜在的变化做出响应。图1.2EDLC原理图Fig1.2SchematicdiagramofEDLC赝电容电容器主要通过电极材料与电解液之间在电极表面发生快速的氧化还原反应储存电荷[12]。该原理的产生式与电极材料的价态相关。二氧化钌（RuO2）是第一个显示出赝电容性能的电极材料，RuO2薄膜电极上发生电荷转移进而产生电荷存储[13]。所以赝电容电极材料的最大特征就是能够发生快速的氧化还原反应。该机制来源于表面快速可逆的氧化还原热力学，其中电容呈现线性关系，主要原因在电荷量（ΔQ）和电势（ΔU）之间呈现线性变化[14]。赝电容的活性中心位于金属氧化物表面附近，距离
1MOFs简介金属有机骨架（MOFs）。MOFs材料的组装依赖于多种材料的结合，比如金属簇和有机连接基[45]。这些构件是通过他们协调搭配而又彼此区别（金属）或对称性和公制参数（连接子）。在这可以将它们定位在成长中的特定位置点阵，减轻了随机性和无序性。根据等网原理，官能团可以是放置在不干扰框架的有机连接子上的一个部件。因此，附近的特定官能团产生精确控制的孔隙环境。这种空隙以这种方式构成并且定义了一些设计器功能，包括气体存储和协同催化[46]。所以在催化、储能、分离方面具有巨大的应用潜力如图1.3。图1.3MOFs不同排列方式组成的结构和应用Fig1.3MOFsdifferentarrangementofthecompositionofthestructureanditsapplication.1.4.2MOFs的制备方法MOFs的合成方法有很多：1、浸渍法[47]：浸渍法是制备负载型纳米催化剂的简单策略，然而，很难获得均匀的粒径分布。2、沉积-沉淀[48]：用沉积沉淀法制备的纳米材料粒径均一，分散性好。但是，沉积沉淀法仅适用于具有高BET表面积和合适的载体材料。而且，这种方法不适合装载高含量的金属纳米颗粒。3、胶体沉积法[49]：此种方法是将金属纳米粒子沉积在载体材料上的常用途径，具有可控制的粒径，高分散性和稳定性。1.4.3MOFs的应用MOFs材料的应用在分离，纯化，催化，吸附等[50]。MOF材料可能与原始复合材料相似或不同。MOFs因具有大的骨架结构，所以增加比表面积，当然孔隙率也有大幅度的增加，所以晶体分散率高于沸石材料。MOFs可以作为催化剂材料，这是因为它可
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