阴离子交换法增强Ni-Co基纳米阵列电极性能的研究

发布时间：2020-10-24 15:30

　　 人类社会正面临日益严峻的能源危机和环境问题,寻找清洁的可再生能源,并发展高效的能源转化与存储形式,是维持人类社会可持续发展的唯一途径。电化学过程是能量存储、新型能源转化的重要方式,而电极材料在电化学过程中扮演着重要角色。Ni-Co基化合物是重要的电极材料,其价态可变、结构稳定并且储量丰富。同时,通过在导电基底上直接生长的方式获得的“自支撑”Ni-Co基纳米结构,其电极内阻小,比表面积大,可暴露更多的活性位点,加速物质传输能力,因此在超级电容器和电解水领域有广泛用途。已经有大量通过阴离子交换方式,提升Ni-Co纳米结构电极性能的报道,但不同阴离子的交换效果还需要更准确的评价。本文以NiCo-C03 LDH纳米片阵列为前驱体,通过阴离子交换方式,分别制备了 NiCo-OH LDH、NiCoS、NiCoP纳米片阵列,测试了它们的电化学性能,并对阴离子交换效果进行了平行比较。本文主要研究内容如下:(1)以Ni(N03)2·6H2O和 Co(N03)2·6H20为原料,CO(NH2)2为沉淀剂,采用水热法制备NiCo-CO3 LDH纳米片阵列。阵列浸泡于KOH溶液,使C032-和OH-之间进行有效交换后,其转化为NiCo-OHLDH纳米片阵列。碱浸泡12 h前后的电极样品在2 mA·cm-2电流密度时性能容量由1.78 F·cm-2增加至6.22F·cm-2。同时,在阴离子交换过程后的NiCo-OHLDH电极具有更好的倍率性能、库伦效率和循环稳定性。NiCo-OHLDH电极优异的性能归因于在纳米片表面生长的纳米薄膜所带来的大比表面积,并且纳米片与纳米薄膜接触的层间电阻较小。由NiCo LDH与活性炭组装的NiCo LDH//AC全固态不对称超级电容器,在功率密度为758 W·kg-1时的能量密度为94.5 Wh·kg-1,该电容器可轻易地点亮LED灯。(2)通过改变合成参数,获得了NiCo-C03LDH纳米片平行阵列。以此为前驱体,TAA为S源,进行水热阴离子交换反应,获得了保留前驱体阵列基本形貌的镍钻硫化物纳米阵列,纳米片的厚度增大,纳米阵列间距变小。作为超级电容器电极,NiCoS电极在10 mA··cm-2电流密度时的面积比电容为8.38F·cm-2,但是电极的倍率性能和稳定性不佳。组装成NiCoS//AC全固态不对称电容器,在功率密度为10mW·C·cm-2时,最大能量密度为0.2031 mWh·cm-2。当功率密度增加到50mW·C·cm-2时,能量密度仍可实现0.08523 mWh·cm-2。作为电催化剂,NiCoS电极表现出来良好的OER及HER催化活性。在电流密度为10mA·cm-2时,OER及HER过电势分别为282mV和108 mV,Tafel斜率分别为54 mV·dec-1和112 mV·dec-1。基于双NiCoS电极体系下的电解水设备具有良好的使用稳定性。(3)以NaH2PO2作为P源,以NiCo-C03LDH平行阵列为前驱体,通过磷化处理,获得NiCoP电极。该电极具有优异的OER及HER性能,在电流密度为10 mA·C·cm-22时,OER及HER过电势分别为220 mV和27mV;在电流密度为100 mA·C·cm-2时,OER及HER过电势分别为371 mV和125 mV,Tafel斜率分别为40.25mV·dec-1和82.72mV·dec-1。因此,NiCoP电极可作为双功能电催化剂用于电解水过程。
【学位单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM53;TB383.1;O643.36
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 超级电容器
        1.2.1 单金属镍基电极材料
        1.2.2 单金属钴基电极材料
        1.2.3 双金属镍基钴基电极材料
    1.3 电催化
        1.3.1 镍钴氢氧化物电催化剂
        1.3.2 镍钴氧化物电催化剂
        1.3.3 镍钴硫化物电催化剂
        1.3.4 镍钴磷化物电催化剂
    1.4 论文主要研究内容和意义
第二章 实验部分
    2.1 实验原料与仪器
    2.2 实验部分
        2.2.1 预处理泡沫镍网基底
3 LDH电极'>        2.2.2 水热法制备NiCo-CO₃ LDH电极
    2.3 电极材料表征
        2.3.1 X射线衍射
        2.3.2 X射线光电子能谱
        2.3.3 扫描电子显微镜
        2.3.4 透射电子显微镜
    2.4 电荷存储性能测试
        2.4.1 循环伏安测试
        2.4.2 恒电流充放电测试
        2.4.3 交流阻抗测试
        2.4.4 固态超级电容器测试
    2.5 催化剂材料电化学性能测试
第三章 Ni-Co LDH纳米阵列电化学性能研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 制备NiCo-OH LDH纳米阵列
        3.2.2 制备全固态不对称型超级电容器
    3.3 物相表征
        3.3.1 电极材料XRD表征
        3.3.2 电极材料XPS表
        3.3.3 电极材料SEM和TEM表征
    3.4 电化学性能分析
    3.5 本章小结
第四章 NiCoS纳米片平行阵列电化学性能研究
    4.1 引言
    4.2 制备NiCoS纳米片平行阵列
    4.3 物相表征
        4.3.1 电极材料XRD表征
        4.3.2 电极材料XPS表征
        4.3.3 电极材料SEM和TEM表征
    4.4 电化学性能分析
    4.5 电催化性能分析
        4.5.1 电极OER和HER性能分析
        4.5.2 电极稳定性分析
    4.6 本章小结
第五章 NiCoP纳米阵列催化电解水性能研究
    5.1 引言
    5.2 制备NiCoP纳米片平行阵列
    5.3 物相表征
        5.3.1 电极材料XRD表征
        5.3.2 电极材料XPS表征
        5.3.3 电极材料SEM和TEM表征
    5.4 电催化性能分析
        5.4.1 电极OER和HER性能分析
        5.4.2 电极稳定性分析
    5.5 本章小结
第六章 结论
参考文献
致谢
攻读学位期间的主要论文及成果

【参考文献】

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本文编号：2854641