电化学氧化与活化法制备镍、钴基纳米结构材料用于超级电容器

发布时间：2020-06-20 03:51

【摘要】：作为一种重要的储能器件,超级电容器具有高功率密度、长循环寿命和优越的安全性,受到了世界各国科研工作者的广泛关注。本文中采用新颖的电化学制备方法可以得到高产量的超薄多孔的镍基材料、均匀分布的低结晶度钴基纳米棒材料,下面我将详细介绍这两种应用:1.二维材料比表面积大、活性位点多,其中具有水镁石典型的层状结构的氢氧化物中,较高理论容量(289 mAh g-1)和较低成本的(p-Ni(OH)2引起了人们的广泛关注。目前,有很多种方法都可以合成β-Ni(OH)2纳米材料。其中化学沉淀法是最简单的,也是成本最低的方法,但是由于矿化剂的加入容易导致沉淀局部团聚,也难以控制形貌。相比之下溶剂热法更具有吸引力,也是是现在广泛报道的合成方法,但是溶剂热法通常是在高温高压的条件下进行,这并不利于材料的大批量生产而且有一定的安全隐患。相对来说,采用电化学沉积法比较安全,可以直接在导电基片上沉积金属氢氧化物,但高负载量会导致Ni(OH)2层堆叠致密,从而限制了的电化学活性位点的数量。能大批量生产多活性位点、高电化学性能的β-Ni(OH)2纳米材料具有重要的现实意义。基于以上的考虑,本文中将介绍在1MNaC1水溶液中,通过三电极电化学氧化法,仅仅采用了泡沫镍,在近室温的条件下,我们合成了大量的具有高结晶度的超薄多孔纳米材料β-Ni(OH)2,厚度约为4nm,纳米孔直径约2～3nm。在电流密度2Ag-1可以在获得最大容量值218mAh g-1。这种合成方法有效避免传统合成的高温高压过程。总的来说,通过这种安全、简单的方法,可以获得高产率的大容量超薄β-Ni(OH)2纳米片。这种合成方法大大降低了合成过程的成本和难度,为今后的工业化生产提供了巨大的可能性。2.由于超级电容器的反应主要是发生在材料与电解液界面,在电极的表面或者近表面进行氧化还原反应,处于电极材料内部的活性物质难以得到运用的。因此如何充分运用所有的活性物质是一个急需解决的问题。本文中初步研究了一种简单的制备方法,可以制备出形貌以及分布较均匀的低结晶度CoO/CoOOH纳米阵列。首先制备形貌分布均匀的CoO纳米阵列材料,再经过进一步简单操作的电化学活化过程,在活过过程中由于钴元素的氧化还原反应,使结晶良好CoO结晶度变低并且生成了CoO、CoOOH的混合物。材料表面具有高含量CoOOH,从而增加了材料的亲水性;材料内部具有高含量非晶态CoO,可以便于电解液在纳米棒内部的渗透,增加反应活性位点。这种非均匀分布的特殊核壳结构,能让活性材料内部也能充分接触电解液,在进行充放电的过程中也能够充分运用纳米棒内部材料,让纳米棒内部材料也能充分发生氧化还原反应,因此有助于提高活性材料的容量。当电流密度为1Ag-1时,可以得到最大容量200mAhg-1;在进行快速充放电的过程中,设置电流密度为20A g-1时,仍然具有的容量值为169 mAh g-1,保持初始容量的84.5%。同时选用商业活性炭为负极,与其组装成混合超级电容器后,在功率密度为726 W kg-4时,其能量密度能达到38.75 Whkg-1;设置电流密度为12Ag-1进行恒流充放电,在经过5000圈的循环后混合器件的容量值仍然能够保持初始值的83.3%,这表明此电极具有较好的稳定性。这种新的制备方法,为提高活性材料的储能性能提供了一种新的思路
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TB383.1
【图文】：

超级

示意图,电容,示意图,可充电电池

ＡＣ逦ＡＣ逡逑图１．３双电层电容示意图［２］。逡逑２．赝电容电极：逡逑法拉第赝电容与可充电电池都是通过电极活性材料中金属离子的氧化还原反应逡逑来储存电荷的。两者的区别在于可充电电池受活性物质结晶骨架内阳离子扩散的限逡逑制，然而法拉第赝电容不受扩散过程的控制。运用循环伏安法（ＣＶ）是研宄并且阐明逡逑这一动力学差异的非常有效的工具［４３］。理论上，电极活性物质在不同扫描速率下的逡逑循环伏安响应可以依据如下表达式：逡逑ｉ邋＝邋ａｖｈ逦公式邋１．２逡逑这表示在特定电位处的测量电流（Ｉ）与电位扫描速度（Ｄ）服从幂函数分布。在相关报道逡逑中己清楚地证明，可充电电池进行储能是通过阳离子在电极活性材料晶体结构中的逡逑嵌入与脱出进行的，而这种储能过程受到阳离子在活性材料晶体结构中阳离子扩散逡逑速度的限制［Ｈ４５］。可充电电池相应的伏安响应可概括为以下形式：逡逑６逡逑

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