二维层状复合电极材料的制备及其超电性能的研究

发布时间：2017-08-06 05:03

  本文关键词：二维层状复合电极材料的制备及其超电性能的研究

  更多相关文章： 二维层状材料 层状双羟基复合金属氢氧化物 层状金属硫化物 石墨烯基复合材料 超级电容器

【摘要】：摘要：为了应对不断恶化的能源危机和环境问题,研究开发清洁和可再生的新型能源材料及其器件已经迫在眉睫。自从发现石墨烯的特殊电子传输特性以来,二维层状材料的研究得到了极大的关注,其它的二维层状材料(包括层状双羟基复合金属氢氧化物(LDHs),层状过渡金属硫化物(TMDs)等)也不断的发展起来。基于二维层状材料独具的物理,化学性质,如高比表面积、结构可控和优异的导电性等,其在能源存储等方面的研究和应用也方兴未艾。为了获得高比电容、快速充放电倍率特性和优异循环稳定性的超电电极材料,本论文研究了一系列的石墨烯、LDHs和TMDs及其复合材料的制备方法和电化学性能。采用了x射线衍射(XRD、XPS、FT-IR、扫描电子显微镜(sEM)和透射电子显微镜(TEM)等表征方法对目标电极材料的物相和形貌进行了表征,利用循环伏安法、恒流充放电技术和交流阻抗谱等研究了复合电极材料的电容性能。主要研究内容如下：以氧化石墨烯为前驱体,六次甲基四胺(HMT)为结构导向剂,六水合氯化钴和六水合硝酸镍为钴源和镍源,通过水热法在泡沫镍表面原位生长镍钴双金属氢氧化物/石墨烯(Ni-Co LDHs/rGO)复合电极材料。当LDHs/rGO的配比为1：2的条件下,所制得的复合材料具有规整的层状结构和高的比表面积。电化学测试结果表明：在扫描速率为5 mV/s时,Ni-Co LDHs/rGO复合材料在6mol/L KOH电解液中比电容高达2270 F/g,优于Ni-Co LDHs(920 F/g);在扫描速率从5 mV/s增加到100 mV/s时,其电容保持率为42%；在20 mV/s的扫描速率下,经过1000次循环充-放电后,Ni-Co LDHs/rGO的电容仍保持在91.5%。通过一步水热法分别合成了α-NiS、Co3S4和CoNi2S4纳米介孔电极材料,并研究了其电化学性能。XRD、SEM和TEM研究表明,介孔硫化物是由单相纳米颗粒堆叠组装而成,其中二元系的CoNi2S4由纳米片自组装形成了具有褶皱表面的微球形貌。电化学性能研究表明,二元系的CoNi2S4比α-NiS、Co3S4具有更高的比电容、更佳的倍率特性和优异的循环稳定性。在扫描速率为5 mV/s时,CoNi2S4材料在6 mol/L KOH电解液中比电容高达1678.3 F/g,优于a-NiS(787.4 F/g)和Co3S4(1532.7 F/g),在扫描速率从5 mV/s增加到100 mV/s时,其电容保持率为45.8%,比a-NiS(30.2%)和Co3S4(29.3%)高出约15%。在15 A/g的电流密度下,经过900次循环充-放电后,二元系的CoNi2S4的电容仍保持在96.3%,库伦效率保持在94.3%左右,说明镍钴双金属硫化物具有优异的循环稳定性和充放电可逆性。以均苯三甲酸为有机配体,六水合氯化镍为镍源,水热合成Ni-MOFs材料作为前驱体,将其与硫代乙酰胺进行二步水热硫化得到Ni-MOFs@NiSx的复合材料,该复合材料不仅保留了MOFs的大骨架结构,而且还具有NiSx的精细的纳米结构。这种独特的三维结构促进了电荷的转移和电解液离子的扩散,从而提高了材料的使用率。实验结果表明,两步法所合成的复合材料的比电容在5 mV/s时达到了716 F/g,优于单纯Ni-MOFs材料的124.5 F/g。在10 A/g的电流密度下,经过1000次循环充-放电后,Ni-MOFs@NiSx的电容保持率比单纯的Ni-MOFs材料提高了61.4%,充分说明Ni-MOFs@NiSx复合材料具有良好的赝电容特性。
【关键词】：二维层状材料 层状双羟基复合金属氢氧化物 层状金属硫化物 石墨烯基复合材料 超级电容器
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646.54;TB33
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 论文中的物理符号及缩写清单8-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 引言11-13
• 1.1.1 石墨烯及二维材料的定义11-12
• 1.1.2 二维材料的种类12-13
• 1.2 石墨烯及二维材料的结构13-18
• 1.2.1 石墨烯的结构13-15
• 1.2.2 层状双羟基氢氧化物的结构15-17
• 1.2.3 层状硫化物的结构17-18
• 1.3 石墨烯及二维材料的制备方法18-21
• 1.3.1 石墨烯的制备方法18-19
• 1.3.2 层状双羟基氢氧化物的制备方法19-20
• 1.3.3 层状硫化物的制备方法20-21
• 1.4 石墨烯及二维材料的超电性能21-25
• 1.4.1 石墨烯在超电中的应用21-22
• 1.4.2 层状双羟基氢氧化物在超电中的应用22-23
• 1.4.3 层状硫化物在超电中的应用23-25
• 1.5 课题研究内容25-27
• 1.5.1 论文的研究意义25
• 1.5.2 论文的主要研究内容25-26
• 1.5.3 论文的创新点26-27
• 第二章 石墨烯/双金属氢氧化物复合材料的制备及其在超级电容器中的应用27-44
• 2.1 前言27-28
• 2.2 实验部分28-32
• 2.2.1 实验试剂与仪器28
• 2.2.2 氧化石墨烯(GO)的制备28-29
• 2.2.3 Ni-Co LDHs样品的制备29
• 2.2.4 石墨烯/镍钴双金属氢氧化物(rGO/Ni-Co LDHs)复合材料的制备29-30
• 2.2.5 材料的结构表征及电容性能测试30-32
• 2.3 结果与讨论32-43
• 2.3.1 Ni-Co LDHs与Ni-Co LDHs/rGO材料的物理化学性质表征32-38
• 2.3.2 Ni-Co LDHs材料与Ni-Co LDHs/rGO材料的电容性能研究38-40
• 2.3.3 不同石墨烯含量的Ni-Co LDHs/rGO材料的电容性能研究40-43
• 2.4 本章小结43-44
• 第三章 镍钴金属硫化物复合材料的制备及其在超级电容器中的应用44-58
• 3.1 前言44
• 3.2 实验部分44-46
• 3.2.1 实验试剂及仪器44-45
• 3.2.2 制备方法45-46
• 3.2.3 材料的表征及电容性能测试46
• 3.3 结果与讨论46-51
• 3.3.1 样品的结构分析46-48
• 3.3.2 样品的形貌分析48-51
• 3.3.3 样品比表面积的测定51
• 3.4 样品的电容性能研究51-57
• 3.4.1 加入不同硫源和不同结构导向剂制备的镍钴硫化物电容性能研究51-53
• 3.4.2 不同金属源制备的镍钴硫化物电容性能研究53-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第四章 金属镍有机骨架基硫化物复合材料的制备及其在超级电容器中的应用58-73
• 4.1 前言58-59
• 4.2 实验部分59-61
• 4.2.1 实验试剂与仪器59
• 4.2.2 制备方法59-61
• 4.2.3 材料的表征及电容性能测试61
• 4.3 结果与讨论61-66
• 4.3.1 Ni-MOFs材料的物理化学性质表征61-62
• 4.3.2 一步法制备的Ni-MOFs基硫化物材料的物理化学性质表征62-64
• 4.3.3 两步法制备的Ni-MOFs基硫化物复合材料的物理化学性质表征64-66
• 4.4 电容性能研究66-72
• 4.4.1 Ni-MOFs材料的电化学性能研究66-67
• 4.4.2 一步法制备的Ni-MOFs基硫化物材料的电化学性能研究67-70
• 4.4.3 两步法制备的Ni-MOFs基硫化物复合材料的电容性能研究70-72
• 4.5 本章小结72-73
• 第五章 结论73-75
• 参考文献75-84
• 致谢84-85
• 个人简介、在校期间发表的学术论文与研究成果85

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本文编号：628427