本文關(guān)鍵詞：三元鈷鎳硫化物納米晶的制備及其在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： CoNi_2S_4 石墨烯 不對(duì)稱 液相 全固態(tài) 超級(jí)電容器

【摘要】：隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,化石燃料消耗造成的能源危機(jī)以及環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻,迫切需要一種高效、清潔、可持續(xù)的能源或者新的技術(shù)來轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存能量。近年來,作為一種新型的能量存儲(chǔ)形式,超級(jí)電容器由于其較高的功率密度、快速的充放電、長(zhǎng)的壽命、低的成本、環(huán)境友好以及安全等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的密切關(guān)注,目前已被廣泛應(yīng)用于聲視頻設(shè)備、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、大型工業(yè)設(shè)備以及存儲(chǔ)備份設(shè)備等領(lǐng)域。一般而言,超級(jí)電容器的電荷存儲(chǔ)和性能應(yīng)用密切依賴于所使用的電極材料。因此,在超級(jí)電容器的研究過程中,人們?yōu)殚_發(fā)尋找各種性能優(yōu)異的電活性材料而投入了大量的工作。截止目前,已經(jīng)應(yīng)用于超級(jí)電容器的電極材料大致可分為三類:碳基材料、導(dǎo)電聚合物和過渡金屬化合物。其中,具有較大表面積和良好導(dǎo)電性的碳基材料被廣泛用作雙電層電容器的電極材料。盡管其具有較大的功率密度,但是由于較小的比電容導(dǎo)致其能量密度較低,限制了它的應(yīng)用。與之相比,基于導(dǎo)電聚合物和過渡金屬化合物的超級(jí)電容器,由于其電極材料具有鮮明的法拉第電容特性,可以通過快速可逆的氧化還原反應(yīng)來儲(chǔ)存能量,從而獲得較高的比電容和能量密度。但導(dǎo)電聚合物由于在持續(xù)的充放電過程中體積會(huì)發(fā)生較大的收縮和膨脹,導(dǎo)致其循環(huán)穩(wěn)定性較差。而對(duì)于過渡金屬化合物來說,盡管也有一些缺點(diǎn)(如導(dǎo)電性差),但其能提供比傳統(tǒng)碳材料更高的能量密度,比聚合物材料更好的電化學(xué)穩(wěn)定性。因此,過渡金屬化合物成為目前研究最多的一類超級(jí)電容器電極材料。眾所周知,硫元素的電負(fù)性小于氧元素,因此,金屬硫化物具有比氧化物更靈活多變的結(jié)構(gòu)以及較高的電導(dǎo)率。同時(shí),相對(duì)于二元簡(jiǎn)單硫化物而言,過渡金屬三元硫化物電極材料還具有一些其他的應(yīng)用優(yōu)勢(shì):如:更豐富的氧化還原化學(xué)反應(yīng)、較高的電化學(xué)活性和較低的成本。因此,過渡金屬三元硫化物已成為目前電化學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。據(jù)此,本學(xué)位論文以過渡金屬三元硫化物在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用為研究背景,通過簡(jiǎn)單的一步溶劑熱法合成了CoNi2S4納米粒子,并利用簡(jiǎn)單的物理復(fù)合方法制備了CoNi2S4/石墨烯的復(fù)合材料,對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。其次是以活性炭為負(fù)極材料,以CoNi2S4納米粒子為正極材料,成功組裝了液相不對(duì)稱超級(jí)電容器,對(duì)其電化學(xué)性能及其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了研究。最后,以CoNi2S4/石墨烯復(fù)合材料為正極材料,成功組裝了全固態(tài)的不對(duì)稱超級(jí)電容器,拓展了CoNi2S4納米材料在便攜式設(shè)備方面的應(yīng)用價(jià)值。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)CoNi2S4納米粒子及其石墨烯復(fù)合材料的合成與電化學(xué)性能通過簡(jiǎn)便的一步溶劑熱法成功合成了CoNi2S4納米粒子。所制備納米粒子的平均尺寸大約為8-15 mm。然后又通過簡(jiǎn)單的物理復(fù)合方法制備了CoNi2S4/石墨烯的納米復(fù)合材料。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,CoNi2S4納米粒子是一種較好的超級(jí)電容器電極材料。同時(shí),當(dāng)石墨烯的負(fù)載量為5%(wt%)時(shí),基于CoNi2S4/石墨烯納米復(fù)合材料的超級(jí)電容器電極的贗電容特性顯著增強(qiáng),在放電電流密度為1 A g-1時(shí),其最大比電容能達(dá)到2099.1 F g-1。此外,該電極還表現(xiàn)出很好的倍率性能(在20 A g-1比電容為1046.4 F g-1)和較好的電化學(xué)可逆性。由此可以看出,CoNi2S4納米粒子和CoNi2S4/石墨烯納米復(fù)合材料對(duì)于高性能的超級(jí)電容器而言均是有較高應(yīng)用價(jià)值的電極材料。(2)基于CoNi2S4納米粒子的液相不對(duì)稱超級(jí)電容器的組裝及其電化學(xué)性能將CoNi2S4納米粒子作為正極,活性炭作為負(fù)極,成功組裝了液相不對(duì)稱超級(jí)電容器。該不對(duì)稱超級(jí)電容器在3 mol L-1的KOH溶液中電壓窗口能達(dá)到0-1.6 V,其最大能量密度能達(dá)到53.1 Wh Kg-1,即使在功率密度為7630 W Kg-1時(shí),能量密度也能達(dá)到36.7 Wh Kg-1。而且,經(jīng)過1000次循環(huán)后,其比電容仍能保持初始比電容的89%。此外,兩個(gè)串聯(lián)的不對(duì)稱設(shè)備不僅可以點(diǎn)亮一個(gè)紅色的LED燈,而且還能帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng),顯示出較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。(3)基于CoNi2S4/石墨烯復(fù)合材料的全固態(tài)超級(jí)電容器的組裝及其電化學(xué)性能通過以CoNi2S4/石墨烯復(fù)合材料作為正極,活性炭作為負(fù)極,聚乙烯醇/KOH(PVA/KOH)凝膠作為固態(tài)電解質(zhì)組裝了全固態(tài)不對(duì)稱超級(jí)電容器。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明,該全固態(tài)不對(duì)稱超級(jí)電容器的電壓窗口能達(dá)到0-1.6V,其在3 m A cm-2的放電電流密度下,其比電容達(dá)到34.2 F g-1。而且,在10 mA cm-2的放電電流密度下,經(jīng)過5000次循環(huán)后的比電容仍能保持起始電容的62%。因此,基于CoNi2S4/石墨烯復(fù)合材料的全固態(tài)超級(jí)電容器具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：CoNi_2S_4 石墨烯 不對(duì)稱 液相 全固態(tài) 超級(jí)電容器
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB332;TM53
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 緒論13-31
• 1.1 超級(jí)電容器概述13-14
• 1.2 過渡金屬三元化合物的合成14-18
• 1.2.1 水熱合成法14-15
• 1.2.2 溶劑熱合成法15
• 1.2.3 共沉淀法15-16
• 1.2.4 電化學(xué)沉積法16
• 1.2.5 溶膠凝膠法16-17
• 1.2.6 靜電紡絲法17-18
• 1.3 過渡金屬三元化合物在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用18-23
• 1.3.1 液相電解質(zhì)體系中過渡金屬三元化合物的電化學(xué)性能研究18-20
• 1.3.1.1 過渡金屬三元化合物單電極的電化學(xué)性能研究18-19
• 1.3.1.2 基于過渡金屬三元化合物液相對(duì)稱超級(jí)電容器19
• 1.3.1.3 基于過渡金屬三元化合物的液相不對(duì)稱超級(jí)電容器19-20
• 1.3.2 固態(tài)電解質(zhì)體系下過渡金屬三元化合物的電化學(xué)性能研究20-21
• 1.3.2.1 基于過渡金屬三元化合物固態(tài)對(duì)稱超級(jí)電容器20-21
• 1.3.2.2 基于過渡金屬三元化合物固態(tài)不對(duì)稱超級(jí)電容器21
• 1.3.3 過渡金屬三元化合物復(fù)合材料的電化學(xué)性能研究21-23
• 1.3.3.1 基于過渡金屬三元化合物復(fù)合材料的單電極的電化學(xué)性能研究22
• 1.3.3.2 基于過渡金屬三元化合物復(fù)合材料兩電極測(cè)試體系下的電化學(xué)性能研究22-23
• 1.4 本課題的研究?jī)?nèi)容及意義23-25
• 參考文獻(xiàn)25-31
• 第二章 CoNi_2S_4納米粒子及其石墨烯復(fù)合材料的合成與電化學(xué)性能研究31-49
• 2.1 引言31-32
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分32-34
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和材料32-33
• 2.2.2 CoNi_2S_4納米粒子的合成33
• 2.2.3 石墨烯的合成33
• 2.2.4 CoNi_2S_4/石墨烯納米復(fù)合材料的合成33-34
• 2.2.5 樣品表征34
• 2.2.6 單電極的制備與電化學(xué)性能測(cè)試34
• 2.3 結(jié)果與討論34-44
• 2.3.1 CoNi_2S_4納米粒子結(jié)構(gòu)和形貌表征34-36
• 2.3.2 CoNi_2S_4/石墨烯納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和形態(tài)表征36-37
• 2.3.3 CoNi_2S_4納米粒子和CNS@5%GR納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)分析37-38
• 2.3.4 CoNi_2S_4納米粒子的電化學(xué)性能測(cè)試38-40
• 2.3.5 CoNi_2S_4/石墨烯納米復(fù)合材料的電化學(xué)性能測(cè)試40-44
• 2.4 本章小結(jié)44-45
• 參考文獻(xiàn)45-47
• 附錄A47-49
• 第三章 基于CoNi_2S_4納米粒子和活性炭的高性能水相對(duì)稱、不對(duì)稱超級(jí)電容器49-65
• 3.1 引言49-51
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分51-52
• 3.2.1 CoNi_2S_4納米粒子的合成51
• 3.2.2 工作電極的制備及超級(jí)電容器的裝配51
• 3.2.3 電化學(xué)性能測(cè)試51-52
• 3.3 結(jié)果與討論52-60
• 3.3.1 CoNi_2S_4納米粒子和活性炭的電化學(xué)性能52-54
• 3.3.2 水相不對(duì)稱超級(jí)電容器的電化學(xué)性能54-56
• 3.3.3 水相對(duì)稱超級(jí)電容器的電化學(xué)性能56-58
• 3.3.4 循環(huán)穩(wěn)定性58-59
• 3.3.5 水相不對(duì)稱超級(jí)電容器的實(shí)際應(yīng)用59-60
• 3.4 本章小結(jié)60-61
• 參考文獻(xiàn)61-65
• 第四章 新型電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備：基于CoNi_2S_4/石墨烯納米復(fù)合材料的固態(tài)不對(duì)稱超級(jí)電容器65-75
• 4.1 引言65-66
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分66-67
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和材料66-67
• 4.2.2 凝膠電解質(zhì)的制備67
• 4.2.3 全固態(tài)超級(jí)電容器的組裝67
• 4.3 結(jié)果與討論67-72
• 4.3.1 基于CNS@5%GR納米復(fù)合材料的全固態(tài)不對(duì)稱超級(jí)電容器的電化學(xué)性能測(cè)試67-68
• 4.3.2 基于CNS@5%GR納米復(fù)合材料的全固態(tài)對(duì)稱超級(jí)電容器的電化學(xué)性能測(cè)試68-69
• 4.3.3 基于AC的全固態(tài)對(duì)稱超級(jí)電容器的電化學(xué)性能測(cè)試69-70
• 4.3.4 循環(huán)穩(wěn)定性70-72
• 4.3.5 全固態(tài)不對(duì)稱超級(jí)電容器的實(shí)際應(yīng)用72
• 4.4 本章小結(jié)72-73
• 參考文獻(xiàn)73-75
• 第五章 全文總結(jié)與未來展望75-77
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷77-78
• 研究生期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文78-79
• 已發(fā)表和接受的論文78
• 準(zhǔn)備發(fā)表的論文78
• 參加會(huì)議78-79
• 致謝79

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