發(fā)布時(shí)間：2020-04-24 16:34

【摘要】：本文對(duì)鈷、鋅、鐵金屬氧化物的合成、多壁碳納米管(MWCNTs)與金屬氧化物的復(fù)合及在超級(jí)電容器方面的電化學(xué)行為進(jìn)行了研究。研究的詳細(xì)內(nèi)容和所得到的成果如下所示:1)通過(guò)一種兩步合成方法在泡沫鎳上合成ZnCo_2O_4/ZnO@MWCNTs復(fù)合物,MWCNTs均勻覆蓋形成雙導(dǎo)電的結(jié)構(gòu),ZnO一方面能促進(jìn)納米片中ZnCo_2O_4的電子傳遞,另一方面能夠在反應(yīng)過(guò)程中對(duì)納米管進(jìn)行反包覆。使得原本機(jī)械包覆的碳材料轉(zhuǎn)變成化學(xué)結(jié)合。將這種夾層狀復(fù)合物直接用作超級(jí)電容器正極,展現(xiàn)出了1840.2 F g~(-1)的比電容,在3000次循環(huán)之后仍有80.2%的容量保留。2)我們以活性炭為負(fù)極,以ZnCo_2O_4/ZnO@MWCNTs為正極組裝了Zn1Co2@MWCNTs//AC非對(duì)稱(chēng)性超級(jí)電容器,器件在1A g~(-1)的電流密度下有111.8F g~(-1)的比電容,在功率密度為900 W kg~(-1)時(shí)具備能量密度為48.1 W h kg~(-1)。四個(gè)紅色LEDs燈和一個(gè)黃色LED燈分別被點(diǎn)亮,紅燈在明亮發(fā)光狀態(tài)下能夠保持23分鐘,黃色則能持續(xù)55分鐘。因此,我們所制備的這種非對(duì)稱(chēng)的超級(jí)電容器作為電化學(xué)的能量?jī)?chǔ)存器件被認(rèn)為具備很大的可利用前景。3)優(yōu)化合成方法制備高比電容的Fe_3O_4基復(fù)合物,最終獲得能將Fe_3O_4和MWCNTs結(jié)合更好的實(shí)驗(yàn)方案。通過(guò)兩種不同方法,我們分別合成了Fe_3O_4/Fe-MWCNTs納米復(fù)合物和Fe_3O_4/MWCNTs@MnO_2復(fù)合物,探究它們做超級(jí)電容器負(fù)極的性能。首先用一種簡(jiǎn)便的吸附和NaBH_4還原方法在室溫下合成了Fe_3O_4/Fe-MWCNTs納米復(fù)合物。與傳統(tǒng)的合成方法(共沉淀、熱分解、高溫溶劑熱法)相比,此種方法在材料消耗、環(huán)境友好等諸多方面都有明顯的優(yōu)勢(shì),而且操作簡(jiǎn)單。Fe_3O_4/Fe-MWCNTs相比于單純Fe_3O_4顆粒,比電容得到提高,電壓區(qū)間增大。我們對(duì)其合成的機(jī)理做出解釋,包括鐵離子如何在碳納米管表面的官能團(tuán)上附著,如何演化成最終的Fe_3O_4/Fe顆粒。為了繼續(xù)提高Fe_3O_4與MWCNTs結(jié)合生成的復(fù)合物的電化學(xué)性能,我們用水熱法合成了Fe_3O_4/MWCNTs復(fù)合物,該合成方法相對(duì)簡(jiǎn)單,合成樣品中的Fe_3O_4具有非常均勻地納米球型形貌,球體粒徑基本保持在30 nm。Fe_3O_4與多壁碳納米管緊密的結(jié)合,形成了廣泛的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。電容性能實(shí)現(xiàn)了明顯的提升。在1A g~(-1)的電流密度下能夠放電633 s,比電容可以達(dá)到489.2 F g~(-1),較比以往的Fe_3O_4基電容器,電容提升30%。在此基礎(chǔ)上,我們繼續(xù)生長(zhǎng)一層MnO_2得到Fe_3O_4/MWCNTs@MnO_2,有效改善樣品的循環(huán)穩(wěn)定性。MnO_2以薄網(wǎng)狀覆蓋在Fe_3O_4@MWCNT上,使其結(jié)合緊密。同時(shí),我們單獨(dú)合成了Fe_3O_4球狀顆粒作為對(duì)照組。我們所合成的Fe_3O_4/MnO_2@MWCNTs具有媲美活性炭的電化學(xué)性能,因此具有良好地發(fā)展前景。
【圖文】：

圖 1.1 雙電層電容器的儲(chǔ)能和能量釋放示意圖Fig.1.1 Schematic diagram of energy storage and energy release of double layercapacitors1.3.2 法拉第贗電容電容器法拉第贗電容電容器也常被稱(chēng)為偽電容電容器和電化學(xué)電容器，它們?cè)诔浞烹姷倪^(guò)程中，電極表面上的電活性物質(zhì)具有快速可逆的氧化/還原反應(yīng)或法拉第電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，因此可以存儲(chǔ)能量。法拉第贗電容可通過(guò)兩種方式來(lái)存儲(chǔ)電荷：一種是雙電層式的，通過(guò)對(duì)離子的吸附實(shí)現(xiàn)對(duì)電荷的存儲(chǔ)，另一種則是上述提到的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的能量存儲(chǔ)，后者較為核心。1957-1981 年，贗電容電容器才逐漸進(jìn)入人們的視野。相比于傳統(tǒng)電容，它具有更高的能量密度，相比于鋰電池，它則彌補(bǔ)了功率密度的不足。然而，贗電容材料在存儲(chǔ)和釋放電能的過(guò)程中，由于需要發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反

圖 1.2 （a）線(xiàn)狀超級(jí)電容器——摩擦納米發(fā)電供電儲(chǔ)能系統(tǒng)；（b）FSC 中RuO2·xH2O@CarbonFiber 電極的 SEM 圖像；（c）RuO2·xH2O 覆蓋在碳纖維上的的 SEM 圖像，插圖為碳纖維 SEM 圖像Fig.1.2 (a) Schedule of integrating the fiber-based supercapacitor triboelectricnanogenerator power system; b) SEM image of RuO2·xH2O@CarbonFiberelectrode of FSC; (c) RuO2·xH2O coating on a single fi ber, with a single carbon fiber shown in the up-right cornerNi(OH)2和 Co(OH)2具有高理論電容（Ni(OH)2為 3460 F g-1，Co(OH)2為 2584F g-1）[25, 26]、低成本、儲(chǔ)量豐富以及明顯的氧化還原行為。如圖 1.4 所示，，合成Ni(OH)2和 Co(OH)2最普遍和最高效的方法是在泡沫鎳上原位生長(zhǎng)，獲得的薄片狀氫氧化物不僅擁有較高的比表面積，同時(shí)具有超高的比電容。然而，由于這些材料較高的內(nèi)電阻，阻礙了電解質(zhì)/電極界面的電子傳輸，因此 Ni(OH)2和 Co(OH)2及其復(fù)合物所達(dá)到的電容低于理論比電容。具有雙金屬的復(fù)合材料可以用其積累
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM53;TB332

【參考文獻(xiàn)】

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1 榮耀光;梅安意;劉林峰;李雄;韓宏偉;;全固態(tài)介觀太陽(yáng)能電池:從染料敏化到鈣鈦礦[J];化學(xué)學(xué)報(bào);2015年03期

本文編號(hào)：2639158