仿生合成过渡金属氧化物基电极材料及其超电性能研究

发布时间：2017-08-22 10:29

  本文关键词：仿生合成过渡金属氧化物基电极材料及其超电性能研究

  更多相关文章： 超级电容器 生物模板法 过渡金属氧化物电极材料 多级孔结构 微纳米结构

【摘要】：近年来,超级电容器因其高功率密度、可快速充放电以及循环寿命长等诸多优点受到了广泛关注,但较低能量密度和较高成本是制约其发展的主要瓶颈。因而制备具有低成本、适宜孔径分布、高比表面积和低电阻率的新型结构电极材料是解决这一问题的关键。碳、金属氧化物和导电聚合物是常用的超电电极材料,各种材料各有优缺点。其中通过在电极表面的快速法拉第反应来存储电荷的廉价的过渡金属氧化物是应用较广的一类赝电容电极材料。然而,氧化物电极的不足在于本征导电性差,电化学窗口较窄。一般来说,纳米电极材料虽然能够极大的提升材料的性能,但是依然受其导电性,循环稳定性和机械稳定性的制约限制。如何充分发挥纳米电极材料的优势呢?生物材料在进化过程中形成了分级结构、多功能一体化和自组装等独特的特征,在结构和功能材料的设计中有重要的借鉴意义。本论文以不同过渡金属盐作为前驱体,将绿色环保、廉价易得的生物模板引入到电极材料的制备过程,探索生物模板对电极材料结构和电化学性能的影响。分别以植物(木材和棉花)和生物大分子(氨基酸)作为模板和结构导向剂,通过煅烧、水热等方法来复制生物模板复杂且精确的多级结构,制备了结构独特、电化学性能优异的过渡金属氧化物基电极材料。主要研究内容如下：以木材作为生物模板和碳源,以硝酸钴(或硝酸镍)作为前驱体,通过简单的真空浸渍、在N2气氛下煅烧制得C/Co/CoO、C/Ni/NiO复合电极材料。通过X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N2等温吸附-脱附(BET)等对复合材料的结构、形貌进行了表征。结果表明,复合电极材料遗传了木材模板的生物形貌特点和多级孔道结构。纳米级金属单质Co(Ni)和金属氧化物CoO(NiO)均匀负载在木炭孔道表面。C/Co/CoO、C/Ni/NiO复合电极材料BET比表面积分别是369 m2/g、376 m2/g。C/Co/CoO、C/Ni/NiO复合电极材料在10mV/s扫速下比电容分别为711 F/g、976 F/g；在5 A/g电流密度下循环500次,C/Co/CoO、C/Ni/NiO的电容保持率分别为73.7%、73.9%。以棉花作为生物模板,以含锰前驱体作为锰源,通过简单的超声、煅烧制备生物形态氧化锰(Mn2O3/Mn3O4/C)复合电极材料。调控锰源、浓度和煅烧温度,可以得到不同组分、不同形貌的氧化锰/碳复合电极材料。测试表明,Mn2O3/Mn3O4/C复合材料不仅复制了棉花的纤维管状中空结构,而且形成了纳米颗粒组装的超分子结构。N2吸附-脱附测试和电化学性能测试表明：Mn2O3/Mn3O4/C电极材料的BET比表面积是76m2/g,10mV/s扫速下比电容达438 F/g；而无模板法制备的样品BET比表面积3 m2/g,比电容仅19 F/g。以氨基酸作为生物模板和矿化剂,采用水热法,通过调控氨基酸种类、使用量和水热温度来制备微纳米结构Fe3O4和Ni(OH)2电极材料。研究结果表明：使用碱性氨基酸(赖氨酸)可以得到颗粒表面具有更加精细微纳米结构Fe3O4材料。N2吸附-脱附测试表明,具有微纳米结构的Fe3O4材料具有更大的比表面积(BET比表面积93 m2/g),从而使它表现出优良的超电性能,在10mV/s扫速下比电容达633 F/g。微纳米结构Ni(OH)2电极材料10 mV/s扫速下比电容达710 F/g,500次循环后,电容保持率是78.9%,材料循环稳定性良好。
【关键词】：超级电容器 生物模板法 过渡金属氧化物电极材料 多级孔结构 微纳米结构
【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】：O611.62;TM53
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 论文中的物理符号及缩写清单10-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 引言11
• 1.2 超级电容器的简介11-14
• 1.2.1 什么是超级电容器?11-12
• 1.2.2 超级电容器的储能原理12-14
• 1.3 超级电容器的基本构成14-16
• 1.3.1 电解质14
• 1.3.2 隔膜14-15
• 1.3.3 电极材料15-16
• 1.4 过渡金属氧化物在超级电容器中的发展16-19
• 1.4.1 锰氧化物在超级电容器中的应用16-17
• 1.4.2 钴氧化物在超级电容器中的应用17
• 1.4.3 镍氧化物在超级电容器中的应用17-18
• 1.4.4 铁氧化物在超级电容器中的应用18-19
• 1.5 绿色新型制备方法—生物模板法19-29
• 1.5.1 什么是生物模板法?19-20
• 1.5.2 植物模板法20-22
• 1.5.3 动物模板法22-25
• 1.5.4 生物分子模板法25-26
• 1.5.5 微生物模板法26-29
• 1.6 课题的研究内容29-31
• 1.6.1 论文研究意义与目的29
• 1.6.2 论文研究主要内容29-31
• 第二章 木材模板制备钴基、镍基三元复合电极材料及在超级电容器中的研究31-47
• 2.1 前言31-32
• 2.2 实验部分32-35
• 2.2.1 实验仪器与试剂32
• 2.2.2 制备方法32-34
• 2.2.3 样品的形貌、结构表征34-35
• 2.2.4 制备工作电极和电化学性能测试35
• 2.3 结果与讨论35-46
• 2.3.1 木炭的TGA、XRD和SEM表征35-37
• 2.3.2 C/Co复合材料的XRD、SEM表征37-38
• 2.3.3 C/Co复合材料的电化学性能测试38-39
• 2.3.4 C/Co/CoO、C/Ni/NiO复合材料的XRD表征39-41
• 2.3.5 C/Co/CoO、C/Ni/NiO复合材料的SEM表征41-43
• 2.3.6 C/Co/CoO、C/Ni/NiO复合材料的N_2吸附-脱附测试43
• 2.3.7 C/Co/CoO、C/Ni/NiO复合材料的电化学性能测试43-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第三章 棉花模板制备生物形态氧化锰/C复合电极材料及在超级电容器中的研究47-62
• 3.1 前言47-48
• 3.2 实验部分48-50
• 3.2.1 实验仪器与试剂48
• 3.2.2 制备方法48-49
• 3.2.3 样品的结构、形貌表征49-50
• 3.2.4 制备工作电极和电化学性能测试50
• 3.3 实验结果与讨论50-61
• 3.3.1 棉花模板的TGA、XRD和形貌表征50-52
• 3.3.2 生物形态氧化锰/C复合材料的XRD表征52-54
• 3.3.3 生物形态氧化锰/C复合材料的FTIR表征54-55
• 3.3.4 生物形态氧化锰/C复合材料的形貌表征55-57
• 3.3.5 生物形态氧化锰/C复合材料的N_2吸附-脱附测试57-58
• 3.3.6 生物形态氧化锰/C复合材料的电化学性能测试58-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第四章 赖氨酸制备微纳米结构Fe_3O_4、Ni(OH)_2电极材料及在超级电容器中的研究62-76
• 4.1 前言62-63
• 4.2 实验部分63-65
• 4.2.1 实验仪器与试剂63
• 4.2.2 制备方法63-64
• 4.2.3 样品的形貌、结构表征64
• 4.2.4 制备工作电极和电化学性能测试64-65
• 4.3 结果与讨论65-74
• 4.3.1 不同氨基酸制备Fe_3O_4材料的XRD表征65-66
• 4.3.2 不同赖氨酸用量制备Fe_3O_4材料的XRD表征66
• 4.3.3 不同赖氨酸用量制备Fe_3O_4材料的SEM表征66-67
• 4.3.4 不同水热温度制备Fe_3O_4材料的XRD表征67-68
• 4.3.5 不同水热温度制备Fe_3O_4材料的SEM表征68-69
• 4.3.6 微纳米结构Fe_3O_4材料的N_2吸附-脱附测试69-70
• 4.3.7 微纳米结构Fe_3O_4材料的电化学性能测试70-72
• 4.3.8 Ni(OH)_2材料的XRD表征72-73
• 4.3.9 Ni(OH)_2材料的SEM表征73
• 4.3.10 微纳米结构Ni(OH)_2材料的N_2吸附-脱附测试73-74
• 4.3.11 微纳米结构Ni(OH)_2材料的电化学性能测试74
• 4.4 本章小结74-76
• 第五章 结论76-78
• 参考文献78-87
• 致谢87-88
• 个人简介88

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本文编号：718615