钴基化合物纳米棒阵列的制备及其赝电容性能

发布时间：2017-09-06 22:30

  本文关键词：钴基化合物纳米棒阵列的制备及其赝电容性能

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【摘要】：尽管金属化合物(金属氧化物／硫化物／氢氧化物等)材料具有较高的理论能量密度。但是,这类材料较差的导电性导致电极界面电活性低,在高倍率充放电,特别是高活性物质负载量情况下,高能量密度的获得是以牺牲其功率密度来实现的。同时,金属化合物基电极材料在长时间的法拉第电化学反应过程中导致物理化学性能的改变(结构改变、不可逆产物的产生等),循环性能较差。为解决电极材料负载量较低及电极材料结构稳定差这两大问题,采用利于电荷传输的纳米片、介孔结构、空心结构等作为壳层,与导电性良好的分级结构有效复合,设计成核壳结构的纳米棒阵列结构,不仅可以提高电极材料负载量,还可以增强纳米棒阵列电极材料的结构稳定性。本论文的主要研究内容如下：1)利用水热法制备前驱物纳米阵列,经过后续煅烧处理形成Cu0.27Co2.73O4纳米棒阵列,对其进行结构表征与电化学性能测试。以Cu离子实现了对Co3O4晶格的掺杂,形成尺寸均匀,具有多忆结构的Cu0.27Co2.73O4纳米棒阵列。组成Cu0.27Co2.73O4内米棒的纳米颗粒间及纳米棒阵列间所形成的孔道结构与空隙,为电解液离子自由进出电极材料提供了良好的通道,降低电化学阻抗,提高电极材料利用率。在维持较小电压降的条件下,Cu离子的掺杂使电极电压窗口提高到0～0.55V,提高率为22%。同时,Cu0.27Co2.73O4纳米棒阵列表现出较高的面积比容量,在电流密度为8.8 mA·cm-2的条件下,循环3000圈,容量可维持在2 F.cm-2。2)以Cu0.27Co2.73O4内米棒阵列为模板,负载纳米碳层。经过水热过程处理将纳米碳层转变为MnO2壳层,形成Cu0.27Co2.73O4/MnO2复合纳米棒阵列。对其进行结构表征与电化学性能测试。由纳米片之间相互搭接形成的分级结构Mn02壳层与Cu0.27Co2.73O4纳米棒很好地复合,产生协同作用。在增加电极材料活性物质负载量的同时,Cu0.27Co2.73O4/MnO2纳米阵列的独特结构利于电解液离子自由进出而降低电化学阻抗,提高电极材料的利用率,增强电极材料法拉第反应的结构稳定性。Cuo.27Co2.73O4/MnO2在电流密度为18.6 mA·cm-2的条件下,稳定循环3000圈,容量维持在4 F·cm-2。循环容量比Cu0.27Co2.73O4的高一倍,并且循环稳定性、持久性优于Cu0.27Co2.73O4。3)利用水热法,原位合成Co9S8纳米棒阵列。以Co9S8为模板,利用其与KMnO4之间的氧化还原反应形成MnO2初始层,通过后续水热过程处理形成MnO2壳层。对Co9S8/MnO2复合阵列进行结构表征与电化学性能测试。Co9S8较高的电子传导性以及电化学活性是Co9S8/MnO2复合阵列获得优异电化学性能的前提。Mn02初始层增强了Co9S8和Mn02之间的化学结合力。由纳米片搭接而成的分级结构MnO2层有利于改善电解液离子与电极材料的接触,降低了电化学阻抗,提高了电极材料的利用率,增加了Co9S8/MnO2复合纳米阵列的容量。5000圈的循环后,Co9S8/MnO2复合纳米阵列容量接近1100 F·g-1,且循环稳定性以及持久性较好。
【关键词】：钴基化合物 纳米棒阵列 分级结构 核壳结构 电容器
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 前言13-14
• 1.2 超级电容器简介14-15
• 1.3 超级电容器的分类15-17
• 1.3.1 双电层电容器15-16
• 1.3.2 电化学电容器16-17
• 1.4 研究现状17-27
• 1.4.1 超级电容器双电层模型研究现状17-20
• 1.4.2 超级电容器电极材料研究现状20-27
• 1.5 本课题研究内容27-29
• 第二章 Cu_(0.27)Co_(2.73)O_4纳米棒阵列的制备及其赝电容性能29-45
• 2.1 前言29-30
• 2.2 实验部分30-33
• 2.2.1 实验试剂与仪器30-31
• 2.2.2 Cu_(0.27)Co_(2.73)O_4纳米阵列制备31-33
• 2.2.3 结构表征33
• 2.2.4 电化学测试33
• 2.3 实验结果与讨论33-42
• 2.3.1 Cu_(0.27)Co_(2.73)O_4纳米阵列结构表征33-38
• 2.3.2 Cu_(0.27)Co_(2.73)O_4纳米阵列电化学测试38-42
• 2.4 本章小结42-45
• 第三章 Cu_(0.27)Co_(2.73)O_4/MnO_2复合纳米棒阵列的制备及其赝电容性能45-59
• 3.1 前言45-46
• 3.2 实验部分46-49
• 3.2.1 实验试剂与仪器46-47
• 3.2.2 Cu_(0.27)Co_(2.73)O_4/MnO_2复合纳米阵列制备47-48
• 3.2.3 结构表征48
• 3.2.4 电化学测试48-49
• 3.3 实验结果与讨论49-58
• 3.3.1 Cu_(0.27)Co_(2.73)O_4/MnO_2复合纳米阵列结构表征49-52
• 3.3.2 Cu_(0.27)Co_(2.73)O_4/MnO_2复合纳米阵列电化学测试52-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第四章 Co_9S_8/MnO_2复合纳米棒阵列的制备及其赝电容性能59-75
• 4.1 前言59-60
• 4.2 实验部分60-63
• 4.2.1 实验试剂与仪器60-61
• 4.2.2 Co_9S_8/MnO_2复合纳米阵列制备61-62
• 4.2.3 结构表征62
• 4.2.4 电化学测试62-63
• 4.3 实验结果与讨论63-73
• 4.3.1 Co_9S_8/MnO_2复合纳米阵列结构表征63-68
• 4.3.2 Co_9S_8/MnO_2复合纳米阵列电化学测试68-73
• 4.4 本章小结73-75
• 第五章 结论75-77
• 参考文献77-85
• 致谢85-87
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文87
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目87
• 攻读硕士学位期间获奖情况87-88
• 学位论文评阅及答辩情况表88

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本文编号：805820