氮化铬纳米材料的制备及电化学性能研究
发布时间：2021-08-23 19:53
超级电容器（SCs）具有快速充电/放电能力、高输出功率和长循环稳定性,在能量储存领域具有广泛的应用前景。然而SCs固有的低能量密度难以满足各种电子产品不断增长的运行需求,这一问题严重阻碍了其应用。科研工作者们近年来致力于开发具有高能量密度的超级电容器,主要针对电极材料的形貌结构优化,提高比表面积以及选择恰当的电解质等方面进行研究。本论文采用水热法制备纳米氧化铬（Cr2O3）前驱体,研究了水热条件对纳米Cr2O3的形貌和结构的影响;在氨气下氮化纳米Cr2O3制备纳米氮化铬（CrN）电极材料,并研究了其微观形貌和所使用的电解质对其电化学性能的影响。主要研究内容与结果如下:（1）研究水热合成制备纳米Cr2O3的水热条件（pH值、温度、时间）对Cr2O3的物相及形貌影响。结果表明在pH值9、水热温度170℃、水热时间3 h的工艺条件下制备出均匀分散的尺寸约50 nm的颗粒状纳米...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器的结构简图
西南科技大学硕士学位论文2（3）电解质：具有良好的离子扩散性、优异的化学稳定性和无污染特性。（4）隔膜：分隔电极材料以防止短路，允许电解质离子通过。1.2.1超级电容器的储能机理根据能量的存储模式分为两类：双层超级电容器和赝电容型超级电容器。储能机理[9]如图1-2所示。（1）双电层电容储能将电极浸入电解质溶液中时，在电极-电解质界面处的静电荷吸附作用下会自动形成双电层，如图1-2(a)所示。电荷通过静电荷物理吸附而存储在电极与电解质之间的界面上[14]。双电层电容的重要特征是在电极和电解质的界面之间不存在电荷转移，即不会发生氧化还原反应。双电层电容的比电容在很大程度上取决于电极材料的比表面积和其表面性质，一般储存电容相对较小[19]。（2）法拉第赝电容储能赝电容电极材料通过法拉第过程存储电荷，在活性材料的表面或其附近发生快速、可逆的氧化还原反应。不同的法拉第机理可导致不同的电化学电容特性，如图1-2(b-d)所示。如图1-2(b)是欠电位沉积，当其可逆氧化还原电势为正时，沉积在二维金属-电解质界面上[20,21]。图1-2(c)是氧化还原赝电容，在法拉第氧化还原系统中，还原物质的某种程度的转化被电化学吸附到氧化物质的表面或近表面上[22,23]。图1-2(d)是离子嵌入型赝电容，在接近双电层电容的时间尺度内离子嵌入氧化还原活性材料中，且没有晶体学相变[24,25]。图1-2储能机理示意图：（a）双电层电容和（b-d）不同类型的赝电容；（b）欠电位沉积，（c）氧化还原型赝电容，（d）离子嵌入型赝电容器[9]。
1绪论7图1-3氮化铬的晶体结构1.5.2氮化铬的应用(1)涂层：CrN的耐磨性能优于碳化铬，通过反应溅射获得的CrN涂层硬度一般为1100HV，熔点为1650℃，具良好的高温稳定性，可作为各种切削材料和刀具的防护涂层。如沈阳理工大学齐东丽[97]等人采用直流反应磁控溅射技术在Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢表面沉积出呈现三棱锥形貌的CrN涂层，在300℃时制备的涂层显微硬度的最高值达到1900HV。(2)储能：CrN其可逆容量(1200mA·h/g)在所有报道的过渡金属氮化物中是最高的。Das[98]等人通过在流动的NH3+N2气氛中氮化Cr-脲络合物来制备CrN纳米颗粒，并且首次研究了块状CrN纳米颗粒的Li循环性能。观察到在0.1C速率下稳定直至80个循环的～500mAhg-1（～1.23摩尔Li）的可逆容量。CrN纳米粒子显示出良好的速率能力。在0.5℃时，在40个循环结束时显示出稳定的～350mAhg-1容量，并且在160个循环后以0.1C速率循环时恢复原始容量。(3)催化剂：由于类似贵金属的性质，氮化铬的电子结构与贵金属相似而被确定是最有希望替代Pt催化剂的候选物之一。Zhao[99]等人通过溶剂热辅助离子交换途径合成了负载在含碳氮化物杂化体的石墨碳纳米胶囊（CrN/GC）上的氮化铬纳米颗粒。作为无铂催化剂，CrN/GC杂化物表现出优异的活性，稳定性，甲醇免疫性。1.5.3氮化铬在超级电容器中的应用据我们所知，Das[78]等人率先报道了在相对较低的温度下通过Cr2O3的氮化来合成CrN纳米颗粒的方法。TEM图像显示粒径为20-30nm的多面体型形态。在非水电解质中，在30mAg-1处获得的比电容为75Fg-1，表明此简单的、经济高效的方法获得的产品具有出色的电化学性能。Wei[77]等人报道了关于CrN的研究成果，通过反应性直流磁控溅射技术直接制备了CrN作为电极材料，并在不同的沉积条?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基体温度对磁控溅射CrN涂层微观结构和性能的影响[J]. 齐东丽,宋健宇,沈龙海. 热加工工艺. 2018(18)
[2]碳热还原氮化法合成氮化钒/氮化铬复合粉末[J]. 杨宝震,任瑛,赵志伟,陈飞晓,郑娟. 精细化工. 2017(06)
[3]超级电容器电解质的研究进展[J]. 刘潇娟,杨光,廖红英,孟蓉,张华. 化学试剂. 2013(06)
[4]超级电容器电解质研究进展[J]. 李作鹏,赵建国,温雅琼,李江,邢宝岩,郭永. 化工进展. 2012(08)
[5]超级电容器应用介绍[J]. 刘革菊,董立新. 山西电子技术. 2012(02)
[6]沉淀-氨解法制备超细高纯氮化铬粉体[J]. 李国,胡国荣,彭忠东,邓新荣,曹雁冰,万文治. 中国粉体技术. 2007(04)
[7]碳基有机电解液超级电容器性能研究[J]. 张宝宏,石庆沫,黄柏辉. 哈尔滨工程大学学报. 2007(04)
[8]氨解法制备纳米氮化铬粉体[J]. 李耀刚,高濂. 无机材料学报. 2003(01)
博士论文
[1]二维镍钴基磷（硫）化物的设计合成及非对称超级电容器性能研究[D]. 张晓萌.黑龙江大学 2019
硕士论文
[1]氧化钨负极材料的制备及电化学性能的研究[D]. 贾金志.西南科技大学 2019
[2]基于硒化镍复合体系柔性超级电容器电极材料及器件研究[D]. 唐中华.电子科技大学 2017
[3]氮化铬（CrN，Cr2N）粉末制备研究[D]. 马壮.辽宁科技大学 2014
[4]超级电容器用过渡金属氧化物及其复合物的研究[D]. 张方.南京航空航天大学 2012
[5]氧化铬纳米颗粒的制备、形貌及结构研究[D]. 李文英.兰州大学 2011
本文编号：3358493
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器的结构简图
西南科技大学硕士学位论文2（3）电解质：具有良好的离子扩散性、优异的化学稳定性和无污染特性。（4）隔膜：分隔电极材料以防止短路，允许电解质离子通过。1.2.1超级电容器的储能机理根据能量的存储模式分为两类：双层超级电容器和赝电容型超级电容器。储能机理[9]如图1-2所示。（1）双电层电容储能将电极浸入电解质溶液中时，在电极-电解质界面处的静电荷吸附作用下会自动形成双电层，如图1-2(a)所示。电荷通过静电荷物理吸附而存储在电极与电解质之间的界面上[14]。双电层电容的重要特征是在电极和电解质的界面之间不存在电荷转移，即不会发生氧化还原反应。双电层电容的比电容在很大程度上取决于电极材料的比表面积和其表面性质，一般储存电容相对较小[19]。（2）法拉第赝电容储能赝电容电极材料通过法拉第过程存储电荷，在活性材料的表面或其附近发生快速、可逆的氧化还原反应。不同的法拉第机理可导致不同的电化学电容特性，如图1-2(b-d)所示。如图1-2(b)是欠电位沉积，当其可逆氧化还原电势为正时，沉积在二维金属-电解质界面上[20,21]。图1-2(c)是氧化还原赝电容，在法拉第氧化还原系统中，还原物质的某种程度的转化被电化学吸附到氧化物质的表面或近表面上[22,23]。图1-2(d)是离子嵌入型赝电容，在接近双电层电容的时间尺度内离子嵌入氧化还原活性材料中，且没有晶体学相变[24,25]。图1-2储能机理示意图：（a）双电层电容和（b-d）不同类型的赝电容；（b）欠电位沉积，（c）氧化还原型赝电容，（d）离子嵌入型赝电容器[9]。
1绪论7图1-3氮化铬的晶体结构1.5.2氮化铬的应用(1)涂层：CrN的耐磨性能优于碳化铬，通过反应溅射获得的CrN涂层硬度一般为1100HV，熔点为1650℃，具良好的高温稳定性，可作为各种切削材料和刀具的防护涂层。如沈阳理工大学齐东丽[97]等人采用直流反应磁控溅射技术在Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢表面沉积出呈现三棱锥形貌的CrN涂层，在300℃时制备的涂层显微硬度的最高值达到1900HV。(2)储能：CrN其可逆容量(1200mA·h/g)在所有报道的过渡金属氮化物中是最高的。Das[98]等人通过在流动的NH3+N2气氛中氮化Cr-脲络合物来制备CrN纳米颗粒，并且首次研究了块状CrN纳米颗粒的Li循环性能。观察到在0.1C速率下稳定直至80个循环的～500mAhg-1（～1.23摩尔Li）的可逆容量。CrN纳米粒子显示出良好的速率能力。在0.5℃时，在40个循环结束时显示出稳定的～350mAhg-1容量，并且在160个循环后以0.1C速率循环时恢复原始容量。(3)催化剂：由于类似贵金属的性质，氮化铬的电子结构与贵金属相似而被确定是最有希望替代Pt催化剂的候选物之一。Zhao[99]等人通过溶剂热辅助离子交换途径合成了负载在含碳氮化物杂化体的石墨碳纳米胶囊（CrN/GC）上的氮化铬纳米颗粒。作为无铂催化剂，CrN/GC杂化物表现出优异的活性，稳定性，甲醇免疫性。1.5.3氮化铬在超级电容器中的应用据我们所知，Das[78]等人率先报道了在相对较低的温度下通过Cr2O3的氮化来合成CrN纳米颗粒的方法。TEM图像显示粒径为20-30nm的多面体型形态。在非水电解质中，在30mAg-1处获得的比电容为75Fg-1，表明此简单的、经济高效的方法获得的产品具有出色的电化学性能。Wei[77]等人报道了关于CrN的研究成果，通过反应性直流磁控溅射技术直接制备了CrN作为电极材料，并在不同的沉积条?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基体温度对磁控溅射CrN涂层微观结构和性能的影响[J]. 齐东丽,宋健宇,沈龙海. 热加工工艺. 2018(18)
[2]碳热还原氮化法合成氮化钒/氮化铬复合粉末[J]. 杨宝震,任瑛,赵志伟,陈飞晓,郑娟. 精细化工. 2017(06)
[3]超级电容器电解质的研究进展[J]. 刘潇娟,杨光,廖红英,孟蓉,张华. 化学试剂. 2013(06)
[4]超级电容器电解质研究进展[J]. 李作鹏,赵建国,温雅琼,李江,邢宝岩,郭永. 化工进展. 2012(08)
[5]超级电容器应用介绍[J]. 刘革菊,董立新. 山西电子技术. 2012(02)
[6]沉淀-氨解法制备超细高纯氮化铬粉体[J]. 李国,胡国荣,彭忠东,邓新荣,曹雁冰,万文治. 中国粉体技术. 2007(04)
[7]碳基有机电解液超级电容器性能研究[J]. 张宝宏,石庆沫,黄柏辉. 哈尔滨工程大学学报. 2007(04)
[8]氨解法制备纳米氮化铬粉体[J]. 李耀刚,高濂. 无机材料学报. 2003(01)
博士论文
[1]二维镍钴基磷（硫）化物的设计合成及非对称超级电容器性能研究[D]. 张晓萌.黑龙江大学 2019
硕士论文
[1]氧化钨负极材料的制备及电化学性能的研究[D]. 贾金志.西南科技大学 2019
[2]基于硒化镍复合体系柔性超级电容器电极材料及器件研究[D]. 唐中华.电子科技大学 2017
[3]氮化铬（CrN，Cr2N）粉末制备研究[D]. 马壮.辽宁科技大学 2014
[4]超级电容器用过渡金属氧化物及其复合物的研究[D]. 张方.南京航空航天大学 2012
[5]氧化铬纳米颗粒的制备、形貌及结构研究[D]. 李文英.兰州大学 2011
本文编号：3358493
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