羟基氧化钒及其碳复合材料的制备及电化学性能研究

发布时间：2020-05-17 06:20

【摘要】：寻找绿色、高效的能源储存及转换装置是解决环境问题的有效措施。超级电容器不仅兼有传统电容器比功率高和电池比能量高的优点,而且具有循环寿命长,对环境无污染等优势,被认为是新一代主要储能装置之一。电极材料是决定超级电容器电化学性能的核心因素。其中,钒氧化物由于具有层状结构和独特的物化性质被广泛用作电极材料,但有关羟基氧化钒的研究极少。现有研究证明,羟基氧化钒是一种极具潜力的储能材料。因此本文首次探索了羟基氧化钒的合成条件,且进一步合成了三种羟基氧化钒/碳多元复合材料,进行了结构、组成、形貌表征和电化学性能测试,具体结果如下:(1)探索羟基氧化钒的合成条件。通过简单的水热反应,在PVP的辅助下严格调控溶液pH至4.7,100℃下水热反应48 h后首次合成纯相VO(OH)_2纳米棒。在电流密度为0.5A·g~(-1)时,达到较高的电容值(189 F·g~(-1)),并且表现出典型的赝电容性能,说明VO(OH)_2是一种良好的赝电容材料。但VO(OH)_2结构稳定性较差,多次循环后易溶于电解液,因此需要将VO(OH)_2与碳材料进一步复合成复合材料以提高其电化学性能。(2)通过简单的水热法合成了VO(OH)_2/CNT二元复合材料。与纯相VO(OH)_2相比,VO(OH)_2/CNT具有相似的结构和组成,但电化学性能具有明显提高。在-0.8~1.2 V的电压窗口,0.5 A·g~(-1)的电流密度下,电容可达到256 F·g~(-1)(512 C·g~(-1))。VO(OH)_2/CNT SSC当功率密度为32.08 Wh·kg~(-1)时达到最大能量密度63.66 W·kg~(-1),且循环3000次后电容保持率为90%。(3)通过一步水热法合成了VO(OH)_2/rGO二元复合材料。与纯相VO(OH)_2纳米棒相比该二元复合材料的结构组成具有明显不同。VO(OH)_2/rGO中VO(OH)_2为纳米片结构并紧密覆盖在rGO片层表面,少量V~(4+)被氧化V~(5+)。VO(OH)_2/rGO表现出良好的插层赝电容性能。在较宽的-1.2 V~0.8 V的电压窗口下,电流密度为0.5 A·g~(-1)时达到512 F·g~(-1)(1024 C·g~(-1));5000次充放电循环后电容剩余率为95%。VO(OH)_2/rGO SSC,不仅能够表现出56.26 Wh·kg~(-1)的高能量密度,还具有出色的柔性和较宽的电压窗口(2.4 V);特别是将两个VO(OH)_2/rGO SSC串联后,可分别点亮红色及蓝色LED 12 min和5 min,证明其具有良好实际应用价值。(4)将新型的3D CNT/rGO导电网络结构与羟基氧化钒复合得到混价的VO_x(OH)_y/CNT/rGO三元复合材料。VO_x(OH)_y纳米线紧密锚定在CNT/rGO网络结构表面,其中存在V~(4+)和V~(5+)两种价态,是一种法拉第电池型电极材料,表现出出色的电化学性能。在-1.2 V~0.6 V的宽电压窗口内,电流密度为0.5 A·g~(-1)时电容值为414 F·g~(-1)。将其组装成对称器件VO_x(OH)_y/CNT/rGO SSC后,可达到2.2 V的宽电压窗口和60.90Wh·kg~(-1)的高能量密度。本论文主要围绕羟基氧化钒及羟基氧化钒/碳复合材料的合成及电化学性能进行研究,对钒的氢氧化物的合成具有启示作用,填补了羟基氧化钒在超级电容器应用领域的空白,未来对羟基氧化钒更深入的储能研究具有重要意义。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TB332

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