Ti 3 C 2 /FeOOH复合材料的超级电容器及电催化析氧性能的研究
发布时间：2021-06-10 20:18
随着现代社会对绿色能源需求的日益增长,人们更多地投入到开发高效的能量转换和存储的新器件。由于电化学存储与转换均与表面及界面反应有关,因此材料的选择和结构的设计至关重要。近年来,二维Ti3C2由于具有优异的导电性、亲水性、灵活性等优点成为优异的超级电容器电极材料和导电基底材料。过渡金属氧化物FeOOH因其本征超级电容器性能和电催化性能受到了关注。然而Ti3C2不可避免的重堆叠和FeOOH导电性差的缺点致使其性能得不到充分发挥。针对以上问题,本论文做了以下两方面工作:首先,为了解决少层Ti3C2重堆叠的问题,我们掺入少量FeOOH QDs（量子点）,制备了Ti3C2/FeOOH QDs复合薄膜用于超级电容器负极。FeOOH QDs不仅作为支柱防止Ti3C2的重堆叠,还可以提供额外的赝电容贡献。因此,Ti3C2/FeOOH QDs复...
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳材料的CV曲线和GCD曲线
第1章绪论-3-丰富、容易合成、具有较高的比电容（NiO理论比容量为3750Fg-1）以及环境友好等特点被认为是适合于碱性电解液的超级电容器电极材料[28]。Fe2O3和FeOOH虽然具有高的理论容量，但是较差的导电性限制了它们在大功率存储设备中的应用[29]。鉴于金属氧化物的高比电容和碳基材料的稳定性，将金属氧化物/氢氧化物与聚合物或碳材料进行结合，取长补短，可获得具有电容及稳定性均优秀的电极材料。1.1.2电催化剂材料的研究进展电催化分解水制备氢气具有能量转换效率高、可忽略的环境污染等优点，是制造新一代可再生清洁能源的有效方式。图1-2为电催化水分解的示意图[30]，整个装置由三部分构成：水性电解质、阳极和阴极。催化剂引入会降低装置在进行水分解时带来的过电势，节约能源，因此对电催化剂的研究意义重大。图1-2电催化分解水的示意图。Fig.1-2Schematicillustrationofelectrocatalyticwatersplitting.铂（Pt）金属是用于HER最有效的催化剂，而OER的标杆式催化剂是Ir/Ru的氧化物。然而，这些贵金属的低储量和高成本限制了它们的应用[31]。因此打造低成本且活性高的电催化剂成为了人们研究的核心。由于电催化水分解通常在强酸或强碱溶液中进行，因此材料在极高或极低pH中的稳定性也需要进一步考虑。目前开发的OER非贵金属催化剂材料主要包括过渡金属的磷酸盐、硫化物、过渡金属氧化物以及氢氧化物[30]。元素周期表中第一行过渡金属化合物具有较高的理论电催化活性、物产丰富、低成本等特点，因此将它们进行深入的研究并开发成为高效电催化剂是非常有前景的。根据其组成元素，主要可以分为三类：钴（Co）基材
的作用。相比于块体材料，二维材料具有以下几个优点：（1）分层结构可以产生丰富的离子扩散路径，从而促进扩散过程；（2）2D结构可以缓冲反应过程中的体积变化，并且保证每个纳米片之间良好的连接性；（3）表面可调节的理化性质[41]。MXene是一类二维过渡金属碳化物/氮化物。Ti3C2是MXene中的一种，自2011年首次报道以来就引起了人们广泛的关注，并在超级电容器及电催化等方面被充分的研究。如图1-3所示，MXene是在MAX相中除去中间层A原子（M=过渡金属元素；A=IIIA或IVA元素；X=C/N）而得到的MnXn-1[39,41]。图1-3MAX相在元素周期表中的分布和M2AX，M3AX2和M4AX3的原子结构。Fig.1-3DistributionoftheMAXphasesandelementoftheperiodictable,theatomicstructureofM2AX,M3AX2andM4AX3phases.由于少层Ti3C2纳米片具有出色的柔韧性，因此将Ti3C2开发成为自支撑的电极构建柔性超级电容器具有广阔的前景。Fu等人通过HCl+LiF的刻蚀方法制备了少层的Ti3C2，并通过真空抽滤的方式获得了柔性Ti3C2电极，该电极（H2SO4电解液）具有892Fcm-3的超高体电容，并且在10000次循环后性能没有衰减，为Ti3C2作为柔性电极奠定了基矗然而Ti3C2的重堆叠问题会影响其作为柔性电极的性能，因此人们将研究重点放在了改善其重堆叠问题上。例如，Zhao等人将CNT引入到Ti3C2纳米片之间，合成了类似于三明治结构的复合电极，该复合电极展现出优异的超级电容器性能，体电容为390Fcm-3，并且电极在10000圈循环后电容没有衰减[42]。Yan等人通过静电自组装的方法，成功地合成了MXene/rGO复合电极，rGO可以有效的防止Ti3C2的重堆叠，在H2SO4电解液中展示出优异的超级电容器性能，2mVs-1扫速下复合电极的体电容为1040
本文编号：3223054
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳材料的CV曲线和GCD曲线
第1章绪论-3-丰富、容易合成、具有较高的比电容（NiO理论比容量为3750Fg-1）以及环境友好等特点被认为是适合于碱性电解液的超级电容器电极材料[28]。Fe2O3和FeOOH虽然具有高的理论容量，但是较差的导电性限制了它们在大功率存储设备中的应用[29]。鉴于金属氧化物的高比电容和碳基材料的稳定性，将金属氧化物/氢氧化物与聚合物或碳材料进行结合，取长补短，可获得具有电容及稳定性均优秀的电极材料。1.1.2电催化剂材料的研究进展电催化分解水制备氢气具有能量转换效率高、可忽略的环境污染等优点，是制造新一代可再生清洁能源的有效方式。图1-2为电催化水分解的示意图[30]，整个装置由三部分构成：水性电解质、阳极和阴极。催化剂引入会降低装置在进行水分解时带来的过电势，节约能源，因此对电催化剂的研究意义重大。图1-2电催化分解水的示意图。Fig.1-2Schematicillustrationofelectrocatalyticwatersplitting.铂（Pt）金属是用于HER最有效的催化剂，而OER的标杆式催化剂是Ir/Ru的氧化物。然而，这些贵金属的低储量和高成本限制了它们的应用[31]。因此打造低成本且活性高的电催化剂成为了人们研究的核心。由于电催化水分解通常在强酸或强碱溶液中进行，因此材料在极高或极低pH中的稳定性也需要进一步考虑。目前开发的OER非贵金属催化剂材料主要包括过渡金属的磷酸盐、硫化物、过渡金属氧化物以及氢氧化物[30]。元素周期表中第一行过渡金属化合物具有较高的理论电催化活性、物产丰富、低成本等特点，因此将它们进行深入的研究并开发成为高效电催化剂是非常有前景的。根据其组成元素，主要可以分为三类：钴（Co）基材
的作用。相比于块体材料，二维材料具有以下几个优点：（1）分层结构可以产生丰富的离子扩散路径，从而促进扩散过程；（2）2D结构可以缓冲反应过程中的体积变化，并且保证每个纳米片之间良好的连接性；（3）表面可调节的理化性质[41]。MXene是一类二维过渡金属碳化物/氮化物。Ti3C2是MXene中的一种，自2011年首次报道以来就引起了人们广泛的关注，并在超级电容器及电催化等方面被充分的研究。如图1-3所示，MXene是在MAX相中除去中间层A原子（M=过渡金属元素；A=IIIA或IVA元素；X=C/N）而得到的MnXn-1[39,41]。图1-3MAX相在元素周期表中的分布和M2AX，M3AX2和M4AX3的原子结构。Fig.1-3DistributionoftheMAXphasesandelementoftheperiodictable,theatomicstructureofM2AX,M3AX2andM4AX3phases.由于少层Ti3C2纳米片具有出色的柔韧性，因此将Ti3C2开发成为自支撑的电极构建柔性超级电容器具有广阔的前景。Fu等人通过HCl+LiF的刻蚀方法制备了少层的Ti3C2，并通过真空抽滤的方式获得了柔性Ti3C2电极，该电极（H2SO4电解液）具有892Fcm-3的超高体电容，并且在10000次循环后性能没有衰减，为Ti3C2作为柔性电极奠定了基矗然而Ti3C2的重堆叠问题会影响其作为柔性电极的性能，因此人们将研究重点放在了改善其重堆叠问题上。例如，Zhao等人将CNT引入到Ti3C2纳米片之间，合成了类似于三明治结构的复合电极，该复合电极展现出优异的超级电容器性能，体电容为390Fcm-3，并且电极在10000圈循环后电容没有衰减[42]。Yan等人通过静电自组装的方法，成功地合成了MXene/rGO复合电极，rGO可以有效的防止Ti3C2的重堆叠，在H2SO4电解液中展示出优异的超级电容器性能，2mVs-1扫速下复合电极的体电容为1040
本文编号：3223054
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3223054.html
