超声化学法制备金属氧化物/石墨烯复合材料及其电化学性能
发布时间：2021-01-22 21:16
针对当今社会能源短缺和环境污染问题,亟待发展新能源储能技术,而超级电容器和锂离子电池是发展新型绿色能源的重要组成部分。金属氧化物/石墨烯复合材料作为最具发展潜力的电极材料,结合了金属氧化物高能量密度和石墨烯高比表面积、高导电性的特征,可获得优异的电化学性能。本文采用一种简单的超声化学法合成了一系列金属氧化物/石墨烯复合材料,分别通过调控超声反应时间、后续热处理温度和反应物投料比,来调控复合材料的微观形貌、晶体结构和组成,进而探讨材料的本征性能和微观结构对其电化学性能的影响,为超级电容器和锂离子电池电极材料的优化制备和性能提升提供理论依据和实践基础。本论文具体内容如下:（1）以KBrO3作为氧化剂、MnSO4作为Mn源,采用超声化学法在氧化石墨烯（GO）表面原位生长MnO2,制备MnO2/石墨烯复合材料。通过调节超声化学反应时间,调控MnO2纳米片在GO表面的生长过程和微观形貌,不仅可以阻止石墨烯的自堆叠,提高材料的比表面积,而且可促进电解质离子的传输。研究发现,超声反应3h所得的MnO2/石墨烯复合材料表现出了最佳的电化学性能:5 mV/s时的比容量高达292.9 F/g,100 mV...
【文章来源】：湖北大学湖北省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?（ａ）双电层电容器和（ｂ）法拉第准电容器的储能机理示意图［６］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ?ｔｈｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｓｔｏｒａｇｅ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?（ａ）?ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ??
在５?ｍＶ／ｓ的扫描速率下比电容高达３３７．５?Ｆ／ｇ，并且在５?Ａ／ｇ的电流密度下进行１０００次??循环充放电后容量保持率高达９８．３％。对于锂离子电池来说，碳材料也可作为其负极材??料，如图１－３?（ｂ），所用碳负极材料包括石墨、硬碳、碳纳米管和中间相碳微球等，工业??化生产中多用石墨负极，主要是由于石墨价格低廉，对环境无污染，导电性良好，电化??学电势低，结构稳定，循环性能好，石墨层间距让锂离子能够较快速的插入与脱插，并??且具有稳定的电化学反应特性。Ｌｉ＋不但能够进入到石墨烯片层的两边，还能插入到石墨??烯片的边界、缺陷和共价位［２１］。Ｂｈａｒｄｗａｊ等人［２２１将多壁碳纳米管展开得到石墨烯纳米??带，其首次放电容量达到１４００ｍＡｈ／ｇ，库伦效率达到了?５３％，体现出了优异的锂离子电??池电化学性能。??１．３．２金属氧化物??最早研究的赝电容金属氧化物材料是Ｒｕ〇２，其基本电化学反应为：??Ｒｕ〇２?＋?ｘＨ４?＋?ｘｅ＂?＾?Ｒｕ〇２－ｘ（〇Ｈ）ｘ??由于Ｒｕ０２高导电性的特点，电极材料能够被高效充分利用，其比容量最高达到１３４０?Ｆ／ｇ，??基本接近其最大理论容量１４００Ｆ／ｇ，其中高比容量主要来源于电活性材料与强酸电解质??中质子的表面反应［２３】。此后
并且１５ｍｉｎ复合材料展现出了优异的电化学性能，其中比容量高达２９６Ｆ／ｇ，且经??过３０００次充放电循环后容量保持率仍然高达９３％。Ｚｈａｎｇ等人［４５］以微波化学法将Ｆｅ３＋??插层到石墨烯片表面，制备得到了?Ｆｅ３〇４／ＲＧＯ的复合材料，合成过程如图１－５所示。将??其用作锂离子负极材料，表现出了高的可逆容量，５０圈后比容量高达６５０ｍＡｈ／ｇ，并且??在５Ｃ放电情况下比容量高达３５０?ｍＡｈ／ｇ，倍率性能优异，这些突出的电化学性能都得??归功于石墨烯良好的电导率和缓冲作用。??纖，麵，＿??〇＊９入０?°＊１？人〇?°＾入〇?妒?〇？??Ｈ?Ｈ?Ｈ??？?？?ａ??Ｗ?Ｆｃ＾Ｏ．Ｈ，?Ｆｃ．Ｏ，??图１－５微波化学法合成Ｆｅ３０４／石墨烯示意图Ｉ４５』??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?Ｆｅ３〇４／ＲＧＯ??ｂｙ?ａ?ｍｉｃｒｏｗａｖｅ?ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄ．??１．４．５机械化学法??机械化学法是通过机械能活化原料，达到反应物的活化能，形成新的复合材料的方??法［４６
【参考文献】：
期刊论文
[1]Growth of SnO2 Nanoflowers on N-doped Carbon Nanofibers as Anode for Li-and Na-ion Batteries[J]. Jiaojiao Liang,Chaochun Yuan,Huanhuan Li,Kai Fan,Zengxi Wei,Hanqi Sun,Jianmin Ma. Nano-Micro Letters. 2018(02)
[2]Two-Dimensional Transition Metal Oxide and Chalcogenide-Based Photocatalysts[J]. Farjana Haque,Torben Daeneke,Kourosh Kalantar-zadeh,Jian Zhen Ou. Nano-Micro Letters. 2018(02)
[3]Pseudocapacitive materials for electrochemical capacitors:from rational synthesis to capacitance optimization[J]. Jie Wang,Shengyang Dong,Bing Ding,Ya Wang,Xiaodong Hao,Hui Dou,Yongyao Xia,Xiaogang Zhang. National Science Review. 2017(01)
[4]电化学储能基本问题综述[J]. 李泓,吕迎春. 电化学. 2015(05)
[5]Electrochemical performances of hydrogen storage alloys treated using a new milling technique[J]. LIU Kaiyu~(a,b) ZHANG Ying~(a,b) ZHANG Wei~c HE Yuehui~b ~a School of Chemistry and Chemical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China ~b State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,China ~c No.712 Research Institute,China Shipbuilding Industry Co.,Wuhan 430064,China. Rare Metals. 2008(03)
本文编号：2993919
【文章来源】：湖北大学湖北省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?（ａ）双电层电容器和（ｂ）法拉第准电容器的储能机理示意图［６］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ?ｔｈｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｓｔｏｒａｇｅ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?（ａ）?ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ??
在５?ｍＶ／ｓ的扫描速率下比电容高达３３７．５?Ｆ／ｇ，并且在５?Ａ／ｇ的电流密度下进行１０００次??循环充放电后容量保持率高达９８．３％。对于锂离子电池来说，碳材料也可作为其负极材??料，如图１－３?（ｂ），所用碳负极材料包括石墨、硬碳、碳纳米管和中间相碳微球等，工业??化生产中多用石墨负极，主要是由于石墨价格低廉，对环境无污染，导电性良好，电化??学电势低，结构稳定，循环性能好，石墨层间距让锂离子能够较快速的插入与脱插，并??且具有稳定的电化学反应特性。Ｌｉ＋不但能够进入到石墨烯片层的两边，还能插入到石墨??烯片的边界、缺陷和共价位［２１］。Ｂｈａｒｄｗａｊ等人［２２１将多壁碳纳米管展开得到石墨烯纳米??带，其首次放电容量达到１４００ｍＡｈ／ｇ，库伦效率达到了?５３％，体现出了优异的锂离子电??池电化学性能。??１．３．２金属氧化物??最早研究的赝电容金属氧化物材料是Ｒｕ〇２，其基本电化学反应为：??Ｒｕ〇２?＋?ｘＨ４?＋?ｘｅ＂?＾?Ｒｕ〇２－ｘ（〇Ｈ）ｘ??由于Ｒｕ０２高导电性的特点，电极材料能够被高效充分利用，其比容量最高达到１３４０?Ｆ／ｇ，??基本接近其最大理论容量１４００Ｆ／ｇ，其中高比容量主要来源于电活性材料与强酸电解质??中质子的表面反应［２３】。此后
并且１５ｍｉｎ复合材料展现出了优异的电化学性能，其中比容量高达２９６Ｆ／ｇ，且经??过３０００次充放电循环后容量保持率仍然高达９３％。Ｚｈａｎｇ等人［４５］以微波化学法将Ｆｅ３＋??插层到石墨烯片表面，制备得到了?Ｆｅ３〇４／ＲＧＯ的复合材料，合成过程如图１－５所示。将??其用作锂离子负极材料，表现出了高的可逆容量，５０圈后比容量高达６５０ｍＡｈ／ｇ，并且??在５Ｃ放电情况下比容量高达３５０?ｍＡｈ／ｇ，倍率性能优异，这些突出的电化学性能都得??归功于石墨烯良好的电导率和缓冲作用。??纖，麵，＿??〇＊９入０?°＊１？人〇?°＾入〇?妒?〇？??Ｈ?Ｈ?Ｈ??？?？?ａ??Ｗ?Ｆｃ＾Ｏ．Ｈ，?Ｆｃ．Ｏ，??图１－５微波化学法合成Ｆｅ３０４／石墨烯示意图Ｉ４５』??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?Ｆｅ３〇４／ＲＧＯ??ｂｙ?ａ?ｍｉｃｒｏｗａｖｅ?ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄ．??１．４．５机械化学法??机械化学法是通过机械能活化原料，达到反应物的活化能，形成新的复合材料的方??法［４６
【参考文献】：
期刊论文
[1]Growth of SnO2 Nanoflowers on N-doped Carbon Nanofibers as Anode for Li-and Na-ion Batteries[J]. Jiaojiao Liang,Chaochun Yuan,Huanhuan Li,Kai Fan,Zengxi Wei,Hanqi Sun,Jianmin Ma. Nano-Micro Letters. 2018(02)
[2]Two-Dimensional Transition Metal Oxide and Chalcogenide-Based Photocatalysts[J]. Farjana Haque,Torben Daeneke,Kourosh Kalantar-zadeh,Jian Zhen Ou. Nano-Micro Letters. 2018(02)
[3]Pseudocapacitive materials for electrochemical capacitors:from rational synthesis to capacitance optimization[J]. Jie Wang,Shengyang Dong,Bing Ding,Ya Wang,Xiaodong Hao,Hui Dou,Yongyao Xia,Xiaogang Zhang. National Science Review. 2017(01)
[4]电化学储能基本问题综述[J]. 李泓,吕迎春. 电化学. 2015(05)
[5]Electrochemical performances of hydrogen storage alloys treated using a new milling technique[J]. LIU Kaiyu~(a,b) ZHANG Ying~(a,b) ZHANG Wei~c HE Yuehui~b ~a School of Chemistry and Chemical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China ~b State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,China ~c No.712 Research Institute,China Shipbuilding Industry Co.,Wuhan 430064,China. Rare Metals. 2008(03)
本文编号：2993919
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