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二維碳化鈦納米材料的改性及其電化學(xué)性能研究

發(fā)布時(shí)間:2018-04-12 10:05

  本文選題:MXenes + Ti_3C_2; 參考:《陜西科技大學(xué)》2017年碩士論文


【摘要】:近期,二維過渡金屬碳化物(MXenes)在能量儲(chǔ)存應(yīng)用中是一種富有前景的電極材料。作為MXenes家族最有前景的一員,Ti_3C_2作為有前景的電極材料得到了廣泛研究,并應(yīng)用于超級電容器。然而,由于其相對低的比表面積和電子導(dǎo)電性,多層Ti_3C_2表現(xiàn)出較差的容量性能。針對以上問題,為進(jìn)一步提高Ti_3C_2的電化學(xué)性能,本論文進(jìn)行了以下幾方面的研究工作。(1)研究腐蝕時(shí)間對Ti_3C_2合成的影響,結(jié)果表明:腐蝕時(shí)間能夠改變Ti_3C_2的形貌、表面官能團(tuán)以及電化學(xué)性能等。腐蝕時(shí)間為216 h的Ti_3C_2(Ti_3C_2-216)在5 mV s-1下展現(xiàn)出118 F g-1的高比容量,而且其擁有良好的速率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。電化學(xué)性能的提高主要源于:高的碳含量提供更好的導(dǎo)電性和更快的電子傳輸,以及更大的比表面積提供更多電極與電解液的通道。這為制備更高性能的Ti_3C_2基納米電極材料奠定了基礎(chǔ)。(2)為進(jìn)一步提高電極材料的比表面積,利用簡單的原位水解和熱處理方法,制備出TiO_2納米顆粒修飾層狀Ti_3C_2的納米復(fù)合材料(TiO_2-Ti_3C_2)。結(jié)果表明:TiO_2-Ti_3C_2納米復(fù)合材料在5 mV s-1下展現(xiàn)出143 F g-1的高比容量,和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。TiO_2納米顆粒的引入可以提供更大的比表面積以提供更多的活性位點(diǎn),提供額外電解液的擴(kuò)散通道,和作為層間間距器防止片層的坍塌,協(xié)同地作用,從而導(dǎo)致TiO_2-Ti_3C_2納米復(fù)合材料電化學(xué)性能的顯著提高。這表明Ti O_2-Ti_3C_2可以作為一種高性能超級電容器的電極材料。(3)為增加材料的層間距和贗電容,利用簡單的液相沉淀法和熱處理過程制備出MnO_2納米顆粒改性的Ti_3C_2基納米復(fù)合材料(MnO_2-Ti_3C_2)。結(jié)果表明:MnO_2納米顆粒能夠增加Ti_3C_2的層間距,提供更多電荷存儲(chǔ)空間。最終,MnO_2-Ti_3C_2納米復(fù)合材料展現(xiàn)了優(yōu)異的電容性能,在5 mV s-1時(shí)面積容量達(dá)到377 mF cm-2,及其高的速率性能,和良好循環(huán)穩(wěn)定性。性能的改善主要源于層間距的擴(kuò)大有助于更多的K+嵌入插層,和導(dǎo)電基體提供的更快的電子擴(kuò)散。這表明MnO_2-Ti_3C_2納米復(fù)合材料可為高性能超級電容器提供可能。(4)為進(jìn)一步提高材料的導(dǎo)電性和贗電容,以尿素為氮源,通過簡單的一步水熱法制備了氮摻雜Ti_3C_2納米片N-Ti_3C_2。結(jié)果表明:氮原子成功并均勻地?fù)诫s進(jìn)Ti_3C_2基體內(nèi)。N-Ti_3C_2能夠提供更高的比容量(在掃描速率為5 mV s-1時(shí)達(dá)到156 F g-1),和良好的速率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。N-Ti_3C_2電化學(xué)性能提高的主要原因是:導(dǎo)電性的增加;含氮基團(tuán)提供的額外贗電容;晶面間距的擴(kuò)大提供了更多K+的插層,協(xié)同地作用。這表明N-Ti_3C_2納米材料可用作高性能超級電容器的電極材料。
[Abstract]:Recently, two dimensional transition metal carbide (MXenes) is a promising electrode material for energy storage.As the most promising member of the MXenes family, Ti3Cs2 has been widely studied as a promising electrode material and applied to supercapacitors.However, due to its relatively low specific surface area and electronic conductivity, multilayer Ti_3C_2 exhibits poor capacity performance.In order to further improve the electrochemical performance of Ti_3C_2, the following research work has been done in this thesis. The effect of corrosion time on the synthesis of Ti_3C_2 is studied. The results show that the corrosion time can change the morphology of Ti_3C_2.Surface functional groups and electrochemical properties.Tis _ 3C _ 2C _ 2C _ (2) C _ (2) C _ (2) T _ s _ (2) C _ (2) C _ (2) C _ (2) C _ (2) C _ (2) C _ (2) C _ (16) C _ (2) C _ (2) C _ (2) C _ (1)The improvement of electrochemical performance is mainly due to: higher carbon content provides better conductivity and faster electron transport, and larger specific surface area provides more channels between electrode and electrolyte.In order to further improve the specific surface area of electrode materials, TiO_2 nanoparticles modified layered Ti_3C_2 nanocomposites were prepared by in situ hydrolysis and heat treatment.The results show that the high specific capacity of 143F g ~ (-1) and good cyclic stability can be obtained by introducing TiO2-Ti3C2 nanocomposites at 5mV / s ~ (-1). The introduction of TiO-2 nanoparticles can provide a larger specific surface area to provide more active sites.Providing diffusion channels for additional electrolytes and acting as interlaminar spacers to prevent lamellar collapse and synergistic action, the electrochemical properties of TiO_2-Ti_3C_2 nanocomposites were significantly improved.This indicates that Ti O_2-Ti_3C_2 can be used as an electrode material for high performance supercapacitors to increase the interlayer spacing and pseudo-capacitance of the materials. Using simple liquid precipitation method and heat treatment process, the MnO_2 nano-particles modified Ti_3C_2 matrix nanocomposites, MNO _ 2-Ti _ 3C _ 2C _ 2, have been prepared by means of simple liquid phase precipitation method and heat treatment process.The results show that: MNO _ 2 nanoparticles can increase the interlayer spacing of Ti_3C_2 and provide more charge storage space.Finally, MNO _ 2-TiC _ 2 nanocomposites showed excellent capacitive properties, with an area capacity of 377mF / cm ~ (-2) at 5mV / s ~ (-1), and high rate performance and good cyclic stability.The improvement of the performance is mainly due to the increase of intercalation between the layers and the faster electron diffusion provided by the conductive matrix.The results show that the nitrogen atoms are successfully and uniformly doped into the Ti_3C_2 base. N-TiStat3Cs2 can provide a higher specific capacity (156F g -1 at a scanning rate of 5 MV s-1), and good rate performance and cyclic stability. N-Ti3C2 electrochemical performance is improved.The main reasons are: the increase of conductivity;The addition of pseudo-capacitors provided by nitrogen-containing groups and the expansion of crystal plane spacing provide more K intercalations and act synergistically.This indicates that N-Ti_3C_2 nanomaterials can be used as electrode materials for high performance supercapacitors.
【學(xué)位授予單位】:陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2017
【分類號】:TB383.1;TM53

【參考文獻(xiàn)】

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6 Dang Sheng Su;Gabriele Centi;;A perspective on carbon materials for future energy application[J];Journal of Energy Chemistry;2013年02期



本文編號:1739276

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