石墨烯负载CoR x Fe 2-x O 4 （R=Ce Nb La）复合材料的制备及电化学性能的研究
发布时间：2021-09-05 05:56
面对巨大的能源危机以及绿色化学的要求,开发廉价的超级电容器材料是发展清洁能源领域研究的热点目标之一。本文以制备高容量铁基超级电容器用电极材料为目标,在采用溶剂热法制备单分散的不同分散剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）含量的CoFe2O4研究基础上选用稀土掺杂、石墨烯负载两步改性制备石墨烯负载CoRxFe2-xO4复合材料,研究了材料中CoFe2O4的形貌、晶体结构、各组分间的相互作用以及电化学性能,具体研究内容及结果如下:选用极性较小的乙二醇为溶剂,乙酸铵（NH4Ac）为缓释沉淀剂,并加入PVP为分散剂得到粒径较小的不同分散剂CoFe2O4纳米粒子。通过SEM、XRD、FTIR、电化学工作站研究了CoFe2O4形貌、晶体结构的变化对其电化学性能的影响。PVP进一步降低溶剂的极性,碳化后的PVP分散于CoFe2O<...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米材料改性：配体效应(a)、应变效应(b)、几何效应(c)和双功能机构(d)[13]
中北大学学位论文5图1.2Fe3O4的晶体结构图Fig.1.2CrystalstructureofFe3O4掺杂，即是在纳米铁氧体基质材料中，掺入少量的其他元素或化合物，以达到产生或提高纳米铁氧体基质材料电化学、磁学、吸波等性能[17]。Fe3O4铁氧体结构[18]如图1.2所示，氧做立方密堆积，一半的Fe3+占据A位，被4个氧包围构成四面体结构单元，Fe2+和另一半Fe3+占据B位，被6个氧包围构成八面体结构单元。掺杂离子嵌入四面体或八面体空隙使尖晶石铁氧体发生晶格畸变，从而改变其能量密度，进而改善材料的性能。据文献报道，利用二价过渡金属离子、非金属原子以及三价稀土离子等对其进行掺杂均能提高其比电容量。Yang[19]等通过一步溶剂热法制备了Mn2+掺杂Fe3O4(5mmol)，与纯纳米Fe3O4相比，Mn2+掺杂的Fe3O4表现出更高的电化学电容，当Mn2+的掺杂量达到1.5mmol时，该超级电容器在2A/g的电流密度下电化学电容可达268.4F/g；循环600次后电容没有明显降低。Alshehri[20]等使用蛋清为碳源和氮源，采用一步沉淀法制备碳、氮共掺杂CoFe2O4(NCFC-NC)纳米粒子，以5MKOH为电解液，在5mV/s的扫描速率下，NCFC-NC表现出474F/g的比电容，比纯CoFe2O4纳米粒子的比电容(94F/g)高出约5倍。Rai[21]等采用溶胶-凝胶自蔓延法制备了镧掺杂铁氧体(La-FeO3)纳米粒子，由电化学测试结果表明，LaFeO3纳米粒子的比电容约为200F/g，并制备了使用Al对镧掺杂铁氧体进一步掺杂制备的La0.7Al0.3FeO3其最大比电容可达260F/g。1.3.4导电材料复合
中北大学学位论文9图1.3元素在地壳中的相对于硅元素的丰度，蓝色为稀土元素(来源：美国地理杂质，2002)[37]Fig.1.3RelativeabundanceofelementsintheEarth’suppercontinentalcrust.Rareearthelementsareinblue.(Source:UnitedStatesGeologicalSurvey,2002).研究者在最初采用稀土La掺杂对钴酸锂，锰酸锂及磷酸铁锂等正极材料的充放电容量及循环性能时均有一定的提升作用。罗灵山等[38]采用碳酸盐共沉淀-高温烧结法制备了La掺杂层状富锂锰基氧化物正极材料Li1.2Mn0.54-xNi0.13Co0.13LaxO2。当La掺杂量为0.03时，具有最高的放电比容量285.3mAh/g，经过50次循环后的放电比容量为260.5mAh/g，容量保持率为91.3%。陈晗等[39]分采用稀土金属离子Er3+、Y3+、Nd3+对LiFePO4的Li、Fe原子位进行掺杂，结果表明LiFe0.99Y0.01PO4具有最佳的电化学性能，首次放电容量达到149.8mAh/g，经过50次循环充放电后,放电容量保持率为99.1%。曹丽娜[40]研究了La、Nd对尖晶石锰酸锂电化学性能的影响，发现Nd更容易进入锰酸锂晶格中，该材料在10C倍率下可逆容量约为110mAh/g，1C倍率下经过300循环，容量仍保持在100mAh/g。稀土离子Re3+的半径比第一过渡系金属离子(M3+)大，当它取代离子半径较小的元素后，导致晶格畸变并产生氧空穴，改变材料的导电、储能机制。掺杂或取代后，Re3+影响M3+的3d轨道和O的sp轨道重叠程度，容易形成Re-O-M键，由于Re3+的配位数较
【参考文献】：
期刊论文
[1]新碳源制备活性炭和石墨烯及其非等电极电容水系超级电容器（英文）[J]. 陈尧,陈政. 物理化学学报. 2020(02)
[2]稀土La掺杂对层状富锂锰基氧化物正极材料结构及电化学性能的影响[J]. 罗林山,刘雯雯,文小强,张帆,周新华,郭春平,周有池,普建. 有色金属科学与工程. 2019(03)
[3]原位石墨烯包覆金属复合颗粒的制备与表征[J]. 韩银龙,孙文波,田响宇,鲁逸林,韦国科,常彦春. 化工新型材料. 2019(04)
[4]富锂正极材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2掺杂稀土La及其电化学性能[J]. 闫印习,王娟,王亮亮,许云华. 电源技术. 2018(02)
[5]La3+掺杂NiCo层状双金属氢氧化物纳米片的合成及其电化学性能[J]. 李宫,陈昆峰,金京一,薛冬峰. 应用化学. 2017(01)
[6]纳米钴铁氧体吸波材料的研究进展[J]. 高明星,景红霞,王星梅,裴王军. 现代化工. 2016(07)
[7]红外光谱法氧化石墨烯羧基官能团含量的测定[J]. 龚水水,光善仪,柯福佑,徐洪耀. 中国测试. 2016(04)
[8]稀土掺杂对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的理论研究[J]. 侯育花,黄有林,刘仲武,曾德长. 物理学报. 2015(03)
[9]拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用[J]. 吴娟霞,徐华,张锦. 化学学报. 2014(03)
[10]高分散纳米ZrO2晶体缺陷及电化学性能研究[J]. 陈慧敏,安琴友. 功能材料. 2012(21)
硕士论文
[1]RxMn1-xFe2O4/石墨烯复合材料的制备及电化学性能研究[D]. 程霞.中北大学 2018
[2]锂离子电池正极材料LiMn2O4的合成与改性研究[D]. 曹际娜.浙江大学 2010
本文编号：3384811
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米材料改性：配体效应(a)、应变效应(b)、几何效应(c)和双功能机构(d)[13]
中北大学学位论文5图1.2Fe3O4的晶体结构图Fig.1.2CrystalstructureofFe3O4掺杂，即是在纳米铁氧体基质材料中，掺入少量的其他元素或化合物，以达到产生或提高纳米铁氧体基质材料电化学、磁学、吸波等性能[17]。Fe3O4铁氧体结构[18]如图1.2所示，氧做立方密堆积，一半的Fe3+占据A位，被4个氧包围构成四面体结构单元，Fe2+和另一半Fe3+占据B位，被6个氧包围构成八面体结构单元。掺杂离子嵌入四面体或八面体空隙使尖晶石铁氧体发生晶格畸变，从而改变其能量密度，进而改善材料的性能。据文献报道，利用二价过渡金属离子、非金属原子以及三价稀土离子等对其进行掺杂均能提高其比电容量。Yang[19]等通过一步溶剂热法制备了Mn2+掺杂Fe3O4(5mmol)，与纯纳米Fe3O4相比，Mn2+掺杂的Fe3O4表现出更高的电化学电容，当Mn2+的掺杂量达到1.5mmol时，该超级电容器在2A/g的电流密度下电化学电容可达268.4F/g；循环600次后电容没有明显降低。Alshehri[20]等使用蛋清为碳源和氮源，采用一步沉淀法制备碳、氮共掺杂CoFe2O4(NCFC-NC)纳米粒子，以5MKOH为电解液，在5mV/s的扫描速率下，NCFC-NC表现出474F/g的比电容，比纯CoFe2O4纳米粒子的比电容(94F/g)高出约5倍。Rai[21]等采用溶胶-凝胶自蔓延法制备了镧掺杂铁氧体(La-FeO3)纳米粒子，由电化学测试结果表明，LaFeO3纳米粒子的比电容约为200F/g，并制备了使用Al对镧掺杂铁氧体进一步掺杂制备的La0.7Al0.3FeO3其最大比电容可达260F/g。1.3.4导电材料复合
中北大学学位论文9图1.3元素在地壳中的相对于硅元素的丰度，蓝色为稀土元素(来源：美国地理杂质，2002)[37]Fig.1.3RelativeabundanceofelementsintheEarth’suppercontinentalcrust.Rareearthelementsareinblue.(Source:UnitedStatesGeologicalSurvey,2002).研究者在最初采用稀土La掺杂对钴酸锂，锰酸锂及磷酸铁锂等正极材料的充放电容量及循环性能时均有一定的提升作用。罗灵山等[38]采用碳酸盐共沉淀-高温烧结法制备了La掺杂层状富锂锰基氧化物正极材料Li1.2Mn0.54-xNi0.13Co0.13LaxO2。当La掺杂量为0.03时，具有最高的放电比容量285.3mAh/g，经过50次循环后的放电比容量为260.5mAh/g，容量保持率为91.3%。陈晗等[39]分采用稀土金属离子Er3+、Y3+、Nd3+对LiFePO4的Li、Fe原子位进行掺杂，结果表明LiFe0.99Y0.01PO4具有最佳的电化学性能，首次放电容量达到149.8mAh/g，经过50次循环充放电后,放电容量保持率为99.1%。曹丽娜[40]研究了La、Nd对尖晶石锰酸锂电化学性能的影响，发现Nd更容易进入锰酸锂晶格中，该材料在10C倍率下可逆容量约为110mAh/g，1C倍率下经过300循环，容量仍保持在100mAh/g。稀土离子Re3+的半径比第一过渡系金属离子(M3+)大，当它取代离子半径较小的元素后，导致晶格畸变并产生氧空穴，改变材料的导电、储能机制。掺杂或取代后，Re3+影响M3+的3d轨道和O的sp轨道重叠程度，容易形成Re-O-M键，由于Re3+的配位数较
【参考文献】：
期刊论文
[1]新碳源制备活性炭和石墨烯及其非等电极电容水系超级电容器（英文）[J]. 陈尧,陈政. 物理化学学报. 2020(02)
[2]稀土La掺杂对层状富锂锰基氧化物正极材料结构及电化学性能的影响[J]. 罗林山,刘雯雯,文小强,张帆,周新华,郭春平,周有池,普建. 有色金属科学与工程. 2019(03)
[3]原位石墨烯包覆金属复合颗粒的制备与表征[J]. 韩银龙,孙文波,田响宇,鲁逸林,韦国科,常彦春. 化工新型材料. 2019(04)
[4]富锂正极材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2掺杂稀土La及其电化学性能[J]. 闫印习,王娟,王亮亮,许云华. 电源技术. 2018(02)
[5]La3+掺杂NiCo层状双金属氢氧化物纳米片的合成及其电化学性能[J]. 李宫,陈昆峰,金京一,薛冬峰. 应用化学. 2017(01)
[6]纳米钴铁氧体吸波材料的研究进展[J]. 高明星,景红霞,王星梅,裴王军. 现代化工. 2016(07)
[7]红外光谱法氧化石墨烯羧基官能团含量的测定[J]. 龚水水,光善仪,柯福佑,徐洪耀. 中国测试. 2016(04)
[8]稀土掺杂对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的理论研究[J]. 侯育花,黄有林,刘仲武,曾德长. 物理学报. 2015(03)
[9]拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用[J]. 吴娟霞,徐华,张锦. 化学学报. 2014(03)
[10]高分散纳米ZrO2晶体缺陷及电化学性能研究[J]. 陈慧敏,安琴友. 功能材料. 2012(21)
硕士论文
[1]RxMn1-xFe2O4/石墨烯复合材料的制备及电化学性能研究[D]. 程霞.中北大学 2018
[2]锂离子电池正极材料LiMn2O4的合成与改性研究[D]. 曹际娜.浙江大学 2010
本文编号：3384811
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