CoAl-层状双金属氢氧化物复合材料的制备及其在超级电容器中的应用

发布时间：2017-10-20 03:31

  本文关键词：CoAl-层状双金属氢氧化物复合材料的制备及其在超级电容器中的应用

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【摘要】：能源危机与环境污染是21世纪面临的两大难题,在这种背景下超级电容器作为新一代的能源储存装置由于具有循环寿命长、充电速度快、功率密度高、绿色环保等优点而备受关注,而作为主要决定超级电容器性能的电极材料也因此成为重要的研究热点。目前报道的超级电容器电极材料主要有过渡金属基氧化物/氢氧化物/硫化物、聚合物、碳材料等。近年来,层状双金属氢氧化物(LDH)由于具有独特的层状结构及性质,使其在催化、吸附、分子筛、超级电容器等诸多领域显示了其广阔的应用前景。特别是在超级电容器上的应用,因为其独特的层状结构,使其可以同时发挥双电层与赝电容两种性质的电容量,从而获得相对较高的电容量。尽管如此,单一的LDH电极材料在能量密度上依然无法满足超级电容器高比电容量的要求,因此近年来的研究重点更侧重于其复合材料的研究,包括与导电性良好的材料进行复合以及与具有赝电容性质的材料进行核壳结构的构建。本文正是基于以上两方面来研究LDH基复合材料以及其电化学性能。采用剥离重堆积方法制备Co Al-层状双金属氢氧化物/还原氧化石墨烯复合材料(CAN-LDH-NS/r GO)。首先在氮气保护下,一步共沉淀法合成层间硝酸根的Co Al-LDH(CAN-LDH)。然后将其剥离开来,形成带正电荷的CAN-LDH纳米片(CAN-LDH-NS)悬浊液,并与带负电荷的还原氧化石墨烯(r GO)进行自组装形成CAN-LDH-NS/r GO复合材料。采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)和比表面积(BET)测试等表征手段对所制备材料的形貌以及结构进行了分析。采用电化学工作站和LAND电池系统对电极材料进行电化学性能测试。结果表明,所制备CAN-LDH-NS/r GO复合材料在1 A g-1电流密度下,比电容达到1296 F g-1,比纯的CAN-LDH高(682 F g-1)。此外,CAN-LDH-NS/r GO复合材料在15 A g-1的大电流密度下,经过1000次循环,其比电容量依然维持在90.5%,表明所制备复合材料具有良好的循环稳定性能。优异的电化学性能离不开r GO高的导电性以及高的比表面积,因为这可以为CAN-LDH的氧化还原过程提供快速的电荷转移以及离子扩散速率。两步法直接在泡沫镍基体上负载Co Al-层状双金属氢氧化物/还原氧化石墨烯复合凝胶(CoAl-LDH/rGO-gel/Ni)。首先,采用一种简单的方法在泡沫镍基体形成还原氧化石墨烯(r GO)凝胶,即r GO-gel/Ni,然后运用电沉积技术将Co Al-LDH纳米片负载到r GO-gel/Ni凝胶中,形成复合凝胶(CoAl-LDH/rGO-gel/Ni)。采用XRD、Raman、TEM和SEM等手段对所制备材料进行结构以及形貌表征。电化学性能测试结果表明,CoAl-LDH/rGO-gel/Ni复合凝胶在2 mA cm-2电流密度下,比电容达到0.95 F cm-2(1262 F g-1),而纯的CoAl-LDH/Ni只有0.40 F cm-2(538.2 F g-1)。比电容的提高可以归功于石墨烯凝胶的高比表面积可以提供丰富的氧化还原活性位点,以及高的导电率可以提供更快的电荷转移速率。此外,基于组装的活性炭的不对称电容器也显示了其优异的电化学性能,在2 mA cm-2电流密度下,电容值达到90.4 F g-1,能量密度达到32.14 Wh kg-1。在10 mA cm-2电流密度下,经过2000次循环后,电容量依旧保持了98.05%,说明其优异的循环稳定性。采用模板协助电沉积方法制备NiP@CoAl-LDH纳米空心管阵列(Ni P@Co Al-LDH NTAs)。首先采用水热方法将氧化锌纳米棒(Zn O NRAs)负载在泡沫镍上,然后运用电沉积方法将Ni P沉积在氧化锌表面,并用3 M Na OH将Zn O溶解掉,形成Ni P空心纳米管阵列(Ni P NTAs),最后运用电沉积方法将Co Al-LDH纳米片负载Ni P NTAs上形成Ni P@Co Al-LDH NTAs。运用XRD、XPS、TEM和SEM等手段对所制备材料进行结构以及形貌表征。电化学性能测试结果表明,Ni P@Co Al-LDH NTAs在1 mA cm-2电流密度下,电容值达到1.33 F cm-2(1112 F g-1),在20 mA cm-2电流密度下,电容量依旧保持了74.1%,比纯的NiP NTAs与Co Al-LDH都要高。优异的电化学性能离不开Ni P@Co Al-LDH空心纳米管阵列的存在,以及NiP与Co Al-LDH良好的赝电容性质。通过对活性炭基不对称电容器进行电化学性能测试,结果表明,所组装的不对称超级电容器在2 mA cm-2电流密度下,电容值达到97.53 F g-1,在功率密度为0.42 k W kg-1下,能量密度为最大值34.68 Wh kg-1。在6 mA cm-2电流密度下,不对称电容器在经过4000次循环后,比电容量保持在95.50%,说明材料具有较长的循环寿命。这些电化学性能使得所制备的电极材料具有良好的应用前景。
【关键词】：超级电容器 层状双金属氢氧化物 石墨烯 NiP 复合凝胶
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM53
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 引言11-21
• 1.1 超级电容器的分类及储能机理12-13
• 1.1.1 双电层电容器12
• 1.1.2 赝电容电容器12-13
• 1.2 超级电容器的电极材料及其研究进展13-17
• 1.2.1 碳基材料13-15
• 1.2.2 过渡金属氧化物15-17
• 1.2.3 导电聚合物17
• 1.3 CoAl-LDH基复合材料的研究进展17-19
• 1.4 本课题的选题依据及研究内容19-21
• 第2章 剥离重堆积合成CoAl-层状双金属氢氧化物/还原氧化石墨烯复合材料及其电化学性能的研究21-35
• 2.1 本章引论21-22
• 2.2 主要实验仪器与试剂22-23
• 2.2.1 主要实验仪器22
• 2.2.2 主要实验试剂22-23
• 2.3 CAN-LDH-NS/rGO的制备23-25
• 2.3.1 改进的Hummers方法制备氧化石墨烯(GO)23
• 2.3.2 CAN-LDH的制备23-24
• 2.3.3 CAN-LDH-NS/rGO的制备24
• 2.3.4 CAN-LDH-NS/rGO复合电极的制备24
• 2.3.5 电化学性能测试24-25
• 2.4 结果与讨论25-33
• 2.4.1 材料结构表征25-28
• 2.4.2 材料形貌表征28-30
• 2.4.3 材料电化学性能30-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第3章 泡沫镍基体上直接负载CoAl-层状双金属氢氧化物/还原氧化石墨烯复合凝胶及其电化学性能的研究35-47
• 3.1 本章引论35
• 3.2 主要实验仪器与试剂35-36
• 3.2.1 主要实验仪器35-36
• 3.2.2 主要实验试剂36
• 3.3 CoAl-LDH/rGO-gel/Ni的制备36-39
• 3.3.1 泡沫镍基体上负载rGO-gel36-37
• 3.3.2 电沉积CoAl-LDH至rGO-gel/Ni上37
• 3.3.3 不对称超级电容器的组装37-38
• 3.3.4 电化学性能测试38-39
• 3.4 结果与讨论39-46
• 3.4.1 材料结构表征39-40
• 3.4.2 材料形貌表征40-41
• 3.4.3 材料电化学性能41-46
• 3.4.3.1 三电极体系(半电池)41-44
• 3.4.3.2 两电极体系(全电池)44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 模板协助电沉积法合成NiP@CoAl-LDH空心纳米管阵列及其电化学性能的研究47-61
• 4.1 本章引论47
• 4.2 主要实验仪器与试剂47-49
• 4.2.1 主要实验仪器47-48
• 4.2.2 主要实验试剂48-49
• 4.3 NiP@CoAl-LDH NTAs的制备49-51
• 4.3.1 水热法合成ZnO NRAs49
• 4.3.2 恒电流沉积NiP49
• 4.3.3 循环伏安法沉积CoAl-LDH49-50
• 4.3.4 不对称超级电容器的组装50
• 4.3.5 电化学性能测试50-51
• 4.4 结果与讨论51-58
• 4.4.1 材料结构和形貌表征51-54
• 4.4.2 材料电化学性能54-58
• 4.4.2.1 三电极体系(半电池)54-56
• 4.4.2.2 两电极体系(全电池)56-58
• 4.5 本章小结58-61
• 第5章 结论61-65
• 5.1 研究总结61-62
• 5.2 展望62-65
• 参考文献65-75
• 致谢75-77
• 个人简历、硕士期间发表的学术论文77

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本文编号：1065017