钴基三元过渡金属氧/硫化物核-壳纳米结构电极的制备及其在超级电容器中的应用
发布时间：2021-02-02 20:37
近年来,能源危机和环境问题日益严重,电化学储能装置的发展成为解决这一问题的关键。超级电容器作为一种新型储能装置,因具有充电速度快、功率密度高、绿色环保等优点,受到电子产品、航空航天以及移动通信等诸多领域的关注。要制备性能更加优异的超级电容器,离不开对电极材料的探索。作为一种新型超级电容器的电极材料,过渡金属氧/硫化物因其具有理论比电容大、价格低廉、制备工艺简单等特点而备受研究者们青睐。本论文均以廉价的泡沫镍为基底,以三元过渡金属氧化物纳米线为导电骨架,在其表面包覆一层三元过渡金属硫化物纳米片,得到独特的核-壳纳米结构。另外,通过简单的化学还原法对金属氧化物表面进行改性处理,在金属氧化物纳米线表面引入适量氧空位,经处理过的电极材料的电化学性能显著提高。通过XRD、SEM及TEM等先进测试手段对材料的结构与形貌进行了表征;并采用三电极系统测试了不同电极的电化学性能。具体的研究内容如下:（1）通过简单的水热法和电沉积法,在泡沫镍基底上分别制备了核-壳结构的CuCo2O4@CoS、CuCo2O4@NiS以及CuCo2O4@Ni-Co-S复合电极。通过电化学分析得到,CuCo2O4@Ni-Co-...
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）超级电容器结构示意图；（ｂ）双电层电容器储能机制；（ｃ）赝电容电容器储能机制??１．３．１双电层电容器??
１００?Ａ／ｇ仅９．４％的容量损失）。组装成的非对??称全固态装置的能量密度也达到了?６０?Ｗｈ／ｋｇ，并且此设备具有极好的循环稳定性??（循环５００００圈后仅９．６％的能量损失）１５４］。??Ｉ?Ｉ?Ｅｌｃｈｉｎｇ?？?ＪＢ?＊?■＊＊＊？？．??？ｎ繼丨圖??ＣＣ／ＮｉＣｏ２Ｓ４＠２ｎ－Ｎｉ－Ｃｏ－Ｓ?ＮＳＡｓ?ＣＣ／ＮＩＣＯｊＳ，?ＮＴＡｓ?１００?ｎｍ?—二＾＊＊＊?一???ＪＨＨＢ?ｍＫｍｍ?〇?￣＾?蝴＞？？〇？？〇〇〇?＿??Ｃｙｃｌ＊?Ｍｕｍｂｖｆ??图１．２?（ａ）通过电沉积法在ＮｉＣｏ２Ｓ４纳米线外包覆镀Ｚｎ的Ｎｉ－Ｃｏ－Ｓ纳米阵列示意图；??ＮｉＣｏ２Ｓ４＠Ｚｎ－Ｎｉ－Ｃｏ－Ｓ?电极的（ｂ，?ｃ）?ＳＥＭ?图；（ｄ）?ＴＥＭ?图（ｅ）循环图间??１．４．３３含氧空位的金属氧化物??对于金属氧化物，在一定的外界环境下（如高温下），可能会造成晶格中的氧脱??离，使氧缺失，从而形成氧空位。最近的研宄表明，若金属氧化物含有适量氧空位，??材料中的载离子数量和导电性均会大大增加。所以，氧缺陷在催化、电池、传感器??和超级电容器等领域均有一定运用［５？５８］。比如，Ｔａｎ等人通过ＮａＢＨＵ和ＳｒＴｉ０３的固??态反应这一简便的方法在ＳｒＴｉ０３纳米材料的表面制造氧空位。结果表明，ＳｒＴｉ０３ｍ??米材料的氧空位在影响光吸收和光催化方面起重要作用。在紫外可见光的放射下，??最优光催化活性Ｈ２产量高达２．２?ｍｍｏｌ／ｈ，约为未经处理的ＳｒＴｉ０３材料的２．３倍１５９匕??再如，Ｄａｉ等人报道的用ＮａＢＨ４为还原剂，用简单的浸泡还原法在Ｃ〇３〇４纳米片表??面制造一些氧空位，能产生氧空位的原因主要是因
电荷转移更迅速，从而电极材料的导电性大幅增加，相同电流密度下，??其比电容也增加了?１００．４％［６１］。以上结果表明，在一些金属氧化物表面制造一些缺陷??可使材料产生更多载流子，对材料导电性和离子表面吸附能力均会产生积极作用，??因此，本工作也可尝试通过在金属氧化物的表面形成一些缺陷来提高其电化学表现。??（ａ）?（ｂ）?？???—?—???????＿?一?？?—?＊一＂＇一＇一备’??？?Ｚｎ?？?Ｃｏ?？?〇?〇?Ｏｘｙｇｅｎ?ｖａｃａｎｃｙ??图１．３?ＺｎＣ〇２０４纳米线经化学还原法原位生成氧空位示意图ｌ？】??１．５基于核－壳纳米结构的研究??考虑到材料的自身结构，单纳米结构的电极材料很难同时实现良好的循环稳定??性、良好的导电性和高的能量密度。如：碳材料主要靠物理吸附形成双电层储存能??量，但碳材料所制备的超级电容器的能量密度较小，所以其应用受到一定限制１？１。??而导电聚合物和金属氧化物是通过氧化还原反应储存能量，所以其能量密度较大，??但循环稳定性和导电性较碳材料来说更差。为了使超级电容器兼备高能量密度、优??异的循环稳定性和导电性，将活性材料与其他活性材料构建成独特的核－壳结构｜６４］，??己成为目前的研宄热点。??Ｌｉ等人在ＣＮＴ上先后包覆了?ＰＰｙ纳米片和Ｍｎ０２纳米片，形成核－双层壳纳米??结构。这种特殊的材料结合了双电层电容导电性能好，赝电容能量密度高的优点，??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]电化学沉积法制备MnO2纳米棒阵列及电容性能[J]. 方华,邹伟,张振华,张世超. 电池. 2019(02)
[2]电化学超级电容器研究进展[J]. 张娜,张宝宏. 电池. 2003(05)
本文编号：3015334
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）超级电容器结构示意图；（ｂ）双电层电容器储能机制；（ｃ）赝电容电容器储能机制??１．３．１双电层电容器??
１００?Ａ／ｇ仅９．４％的容量损失）。组装成的非对??称全固态装置的能量密度也达到了?６０?Ｗｈ／ｋｇ，并且此设备具有极好的循环稳定性??（循环５００００圈后仅９．６％的能量损失）１５４］。??Ｉ?Ｉ?Ｅｌｃｈｉｎｇ?？?ＪＢ?＊?■＊＊＊？？．??？ｎ繼丨圖??ＣＣ／ＮｉＣｏ２Ｓ４＠２ｎ－Ｎｉ－Ｃｏ－Ｓ?ＮＳＡｓ?ＣＣ／ＮＩＣＯｊＳ，?ＮＴＡｓ?１００?ｎｍ?—二＾＊＊＊?一???ＪＨＨＢ?ｍＫｍｍ?〇?￣＾?蝴＞？？〇？？〇〇〇?＿??Ｃｙｃｌ＊?Ｍｕｍｂｖｆ??图１．２?（ａ）通过电沉积法在ＮｉＣｏ２Ｓ４纳米线外包覆镀Ｚｎ的Ｎｉ－Ｃｏ－Ｓ纳米阵列示意图；??ＮｉＣｏ２Ｓ４＠Ｚｎ－Ｎｉ－Ｃｏ－Ｓ?电极的（ｂ，?ｃ）?ＳＥＭ?图；（ｄ）?ＴＥＭ?图（ｅ）循环图间??１．４．３３含氧空位的金属氧化物??对于金属氧化物，在一定的外界环境下（如高温下），可能会造成晶格中的氧脱??离，使氧缺失，从而形成氧空位。最近的研宄表明，若金属氧化物含有适量氧空位，??材料中的载离子数量和导电性均会大大增加。所以，氧缺陷在催化、电池、传感器??和超级电容器等领域均有一定运用［５？５８］。比如，Ｔａｎ等人通过ＮａＢＨＵ和ＳｒＴｉ０３的固??态反应这一简便的方法在ＳｒＴｉ０３纳米材料的表面制造氧空位。结果表明，ＳｒＴｉ０３ｍ??米材料的氧空位在影响光吸收和光催化方面起重要作用。在紫外可见光的放射下，??最优光催化活性Ｈ２产量高达２．２?ｍｍｏｌ／ｈ，约为未经处理的ＳｒＴｉ０３材料的２．３倍１５９匕??再如，Ｄａｉ等人报道的用ＮａＢＨ４为还原剂，用简单的浸泡还原法在Ｃ〇３〇４纳米片表??面制造一些氧空位，能产生氧空位的原因主要是因
电荷转移更迅速，从而电极材料的导电性大幅增加，相同电流密度下，??其比电容也增加了?１００．４％［６１］。以上结果表明，在一些金属氧化物表面制造一些缺陷??可使材料产生更多载流子，对材料导电性和离子表面吸附能力均会产生积极作用，??因此，本工作也可尝试通过在金属氧化物的表面形成一些缺陷来提高其电化学表现。??（ａ）?（ｂ）?？???—?—???????＿?一?？?—?＊一＂＇一＇一备’??？?Ｚｎ?？?Ｃｏ?？?〇?〇?Ｏｘｙｇｅｎ?ｖａｃａｎｃｙ??图１．３?ＺｎＣ〇２０４纳米线经化学还原法原位生成氧空位示意图ｌ？】??１．５基于核－壳纳米结构的研究??考虑到材料的自身结构，单纳米结构的电极材料很难同时实现良好的循环稳定??性、良好的导电性和高的能量密度。如：碳材料主要靠物理吸附形成双电层储存能??量，但碳材料所制备的超级电容器的能量密度较小，所以其应用受到一定限制１？１。??而导电聚合物和金属氧化物是通过氧化还原反应储存能量，所以其能量密度较大，??但循环稳定性和导电性较碳材料来说更差。为了使超级电容器兼备高能量密度、优??异的循环稳定性和导电性，将活性材料与其他活性材料构建成独特的核－壳结构｜６４］，??己成为目前的研宄热点。??Ｌｉ等人在ＣＮＴ上先后包覆了?ＰＰｙ纳米片和Ｍｎ０２纳米片，形成核－双层壳纳米??结构。这种特殊的材料结合了双电层电容导电性能好，赝电容能量密度高的优点，??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]电化学沉积法制备MnO2纳米棒阵列及电容性能[J]. 方华,邹伟,张振华,张世超. 电池. 2019(02)
[2]电化学超级电容器研究进展[J]. 张娜,张宝宏. 电池. 2003(05)
本文编号：3015334
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