【摘要】：能源問題是目前制約社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素,人們對傳統(tǒng)的化石能源的過度開發(fā)利用帶來了一系列的環(huán)境污染問題,這已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了人類的生存與發(fā)展。人類在開發(fā)新型清潔能源的同時,對能源的儲存與轉(zhuǎn)化裝置也顯得尤為重要。作為一種新型儲能設(shè)備,超級電容器具有較高的功率密度及較長的使用壽命也受到了人們廣泛的關(guān)注。但是成本高、能量密度低等因素極大的限制了其發(fā)展,而電極材料是決定超級電容器性能的關(guān)鍵,因此開發(fā)新型價格低廉、高能量密度及高穩(wěn)定性的電極材料是目前研究的重點。本文基于鎳鈷過渡金屬元素及多壁碳納米管等電極材料,以研制低成本、高比電容及高穩(wěn)定性的超級電容器電極材料為目的,采用簡易的合成方法和材料組合制備各種電極材料,并通過各種分析測試手段研究材料超電容性能。主要研究內(nèi)容如下:第一、采用一種綠色環(huán)保合成方法、簡單的制備工藝,即以稀釋后的氨水作為反應(yīng)試劑合成了過渡金屬氧化物Co_3O_4和NiO,該催化劑具有典型的法拉第贗電容特性。以Co_3O_4為例將活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑乙炔黑按照不同的質(zhì)量比例在1mol L-1的KOH電解質(zhì)溶液中采用三電極測試系統(tǒng)進(jìn)行電化學(xué)測試,結(jié)果顯示當(dāng)比例為8:1時電極材料具有最佳的電化學(xué)性能,Co_3O_4呈現(xiàn)出了典型的贗電容特性,在1 A g~(-1)的電流密度下比電容達(dá)到394 F g~(-1)。按照此比例對NiO進(jìn)行測試,比電容達(dá)到了139 F g~(-1)。第二、將鎳鈷兩種金屬元素進(jìn)行復(fù)合,考察了兩種過渡金屬間的協(xié)同效應(yīng)對提高比電容性能的影響及作用機(jī)制。實驗采用水熱-高溫煅燒的方法將鈷和鎳按照2:1的摩爾比例進(jìn)行復(fù)合,通過調(diào)控煅燒溫度150、250、350和450℃各3小時,運用X射線衍射(XRD)、熱重分析(TGA)及掃描電子顯微鏡(SEM)等表征手段證明合成了具有片狀結(jié)構(gòu)的二元復(fù)合金屬(氫)氧化物。進(jìn)一步研究表明:煅燒溫度的不同導(dǎo)致材料的脫水程度也不同,進(jìn)而對材料的形貌及性能造成了很大的影響。通過對各個煅燒溫度的樣品材料進(jìn)行電化學(xué)測試對比發(fā)現(xiàn),在煅燒溫度為250oC時的樣品的無論是循環(huán)伏安測試還是恒電流充放電測試都表現(xiàn)出了較優(yōu)異的性能,在掃描速度為10 m V s-1時高達(dá)1296 F g~(-1)的比電容,在1 A g~(-1)的電流密度下比電容高達(dá)1427 F g~(-1),即使電流密度增大到10 A g~(-1)時,比電容仍高達(dá)1270 F g~(-1),比電容仍然達(dá)到了89%的保持率。一般來說材料中鎳鈷的各自的含量對超級電容器性能存在較大的影響,在確定了最佳的煅燒溫度之后,我們又對兩種元素的復(fù)合比例進(jìn)行探索,將鈷和鎳按照不同的摩爾比在同等的水熱條件煅燒溫度為250℃下進(jìn)行制備,并對其進(jìn)行了電化學(xué)測試。結(jié)果表明,鎳鈷不同的比例對電容性能產(chǎn)生了極大的影響,當(dāng)鈷鎳比例為2:1時材料的性能達(dá)到最佳。最后將復(fù)合之后的樣品材料的電化學(xué)性能與在同樣條件下合成的單一的鎳氧化物和鈷氧化物進(jìn)行對比實驗,結(jié)果表明復(fù)合催化劑的電化學(xué)性能有了極大的提高,對其進(jìn)行穩(wěn)定性測試結(jié)果也表明在經(jīng)過了10 A g~(-1)的大電流3000圈的循環(huán)之后,比電容僅僅衰減了7.7%,表現(xiàn)出了較優(yōu)異的穩(wěn)定性。這說明在水熱-高溫煅燒的制備工藝中,鎳鈷二者的復(fù)合極大的提高了材料的電容特性。第三、為了進(jìn)一步提高鎳鈷氫氧化物的電化學(xué)性能,我們將合成的鎳鈷氫氧化物與MWCNTs進(jìn)行物理性復(fù)合,并對二者的復(fù)合比例進(jìn)行了探索。將二者按照不同的質(zhì)量比例進(jìn)行復(fù)合,對其進(jìn)行電化學(xué)測試結(jié)果表明在復(fù)合比例為9:1時效果最好,在1mol L-1的KOH電解質(zhì)溶液中1 A g~(-1)的電流密度下比電容高達(dá)1675 F g~(-1),與復(fù)合之前進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)比電容有了很大的提高,表明具有管狀結(jié)構(gòu)的MWCNTs與片層結(jié)構(gòu)的鎳鈷氫氧化物的復(fù)合極大的提高了材料的導(dǎo)電性能,使得材料的電容性能得到了進(jìn)一步的提高。對其進(jìn)行穩(wěn)定性測試表明,經(jīng)過3000圈循環(huán)后,電容保持率依然達(dá)93.2%,表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性。
[Abstract]:The energy problem is an important factor restricting the sustainable development of the society. People have brought a series of environmental pollution problems to the overexploitation and utilization of traditional fossil energy. This has seriously threatened the survival and development of human beings. At the same time, human beings are especially in the development of new clean energy and the storage and transformation of energy. As a new type of energy storage equipment, the supercapacitor has high power density and long service life. However, the high cost and low energy density limit the development of the supercapacitor, and the electrode material is the key to determine the capacity of the supercapacitor. Therefore, the development of new type is cheap and high energy. The electrode materials with high density and high stability are the focus of current research. Based on the electrode materials such as nickel cobalt transition metal elements and multi wall carbon nanotubes, this paper aims to prepare the electrode materials with low cost, high specific capacitance and high stability, and the preparation of various electrode materials by simple synthetic method and material combination. The main research contents are as follows: first, a green synthesis method, a simple preparation process, is used to synthesize the transition metal oxide Co_3O_4 and NiO with the diluted ammonia water as reagents. The catalyst has a typical Faraday pseudacapacitor property. Co_3O_4 is used as an example. The three electrode test system was used in the KOH electrolyte solution of 1mol L-1 with the active substance and acetylene black. The results showed that the electrode material had the best electrochemical performance when the ratio was 8:1, and the Co_3O_4 showed a typical pseudopotential characteristic and the ratio of the current density of the 1 A g~ (-1). The capacitance is 394 F g~ (-1). According to this proportion, the NiO is tested, the specific capacitance reaches 139 F g~ (-1). Second, the two metals of nickel and cobalt are combined to investigate the effect of the synergistic effect between the two kinds of transition metals on the performance of the specific capacitance and the mechanism of action. By controlling the calcining temperature of 150250350 and 450 degrees for 3 hours, X ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA) and scanning electron microscopy (SEM) were used to demonstrate the synthesis of two element composite metal (hydrogen) oxides with flake structure. The further study shows that the different calcination temperatures lead to the dehydration of the materials. It has a great influence on the morphology and performance of the material. Through the electrochemical test of the sample materials at different calcination temperatures, it is found that the sample with a calcining temperature of 250oC has excellent performance in both cyclic voltammetry and constant current charge discharge test, and the scanning speed is 10 m. When V S-1 is up to 1296 F g~ (-1), the specific capacitance is up to 1427 F g~ (-1) at the current density of 1 A g~ (-1). Even if the current density increases to 10 A, the specific capacitance is still up to 1270, and the specific capacitance is still up to 89%. In general, the content of nickel and cobalt in the material is larger than that of the supercapacitor. After determining the optimum calcining temperature, we explored the compound ratio of the two elements and prepared the cobalt and nickel at a different molar ratio at the same calcining temperature of 250, and the electrochemical test was carried out. The results showed that the different ratios of nickel and cobalt had a great effect on the capacitance. When the ratio of cobalt and nickel is 2:1, the performance of the material is best. Finally, the electrochemical performance of the sample material after the composite is compared with the single nickel oxide and cobalt oxide synthesized under the same condition. The results show that the electrochemical performance of the composite catalyst has been greatly improved and the stability test results are carried out. It is also shown that after a 3000 ring cycle of 10 A g~ (-1), the specific capacitance attenuates only 7.7% and shows excellent stability. This shows that in the preparation process of hot and high temperature calcination, the composite of nickel and cobalt two greatly improves the capacitance of the material. Third, in order to further improve the electrochemistry of nickel cobalt hydroxide. Properties, we physically compounded the synthesized nickel cobalt hydroxide with MWCNTs, and explored the compound ratio of the two. The two groups were mixed according to the different mass ratio. The results of electrochemical testing showed that the effect was best when the compound ratio was 9:1, and the current density of 1 A g~ (-1) in the KOH electrolyte solution of 1mol L-1. The specific capacitance is up to 1675 F g~ (-1), and the comparison with the composite before the composite shows that the specific capacitance is greatly improved. It shows that the composite of the tubular structure of MWCNTs with the lamellar structure of nickel cobalt hydroxide greatly improves the conductivity of the material and makes the capacitance performance of the material be further improved. The stability test of the material is carried out. It shows that after 3000 cycles, the capacitance retention rate is still 93.2%, showing a good stability.
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;TM53

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本文編號：2124981