【摘要】：尋找綠色、高效的能源儲(chǔ)存及轉(zhuǎn)換裝置是解決環(huán)境問(wèn)題的有效措施。超級(jí)電容器不僅兼有傳統(tǒng)電容器比功率高和電池比能量高的優(yōu)點(diǎn),而且具有循環(huán)壽命長(zhǎng),對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是新一代主要儲(chǔ)能裝置之一。電極材料是決定超級(jí)電容器電化學(xué)性能的核心因素。其中,釩氧化物由于具有層狀結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的物化性質(zhì)被廣泛用作電極材料,但有關(guān)羥基氧化釩的研究極少。現(xiàn)有研究證明,羥基氧化釩是一種極具潛力的儲(chǔ)能材料。因此本文首次探索了羥基氧化釩的合成條件,且進(jìn)一步合成了三種羥基氧化釩/碳多元復(fù)合材料,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、組成、形貌表征和電化學(xué)性能測(cè)試,具體結(jié)果如下:(1)探索羥基氧化釩的合成條件。通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱反應(yīng),在PVP的輔助下嚴(yán)格調(diào)控溶液pH至4.7,100℃下水熱反應(yīng)48 h后首次合成純相VO(OH)_2納米棒。在電流密度為0.5A·g~(-1)時(shí),達(dá)到較高的電容值(189 F·g~(-1)),并且表現(xiàn)出典型的贗電容性能,說(shuō)明VO(OH)_2是一種良好的贗電容材料。但VO(OH)_2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差,多次循環(huán)后易溶于電解液,因此需要將VO(OH)_2與碳材料進(jìn)一步復(fù)合成復(fù)合材料以提高其電化學(xué)性能。(2)通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法合成了VO(OH)_2/CNT二元復(fù)合材料。與純相VO(OH)_2相比,VO(OH)_2/CNT具有相似的結(jié)構(gòu)和組成,但電化學(xué)性能具有明顯提高。在-0.8~1.2 V的電壓窗口,0.5 A·g~(-1)的電流密度下,電容可達(dá)到256 F·g~(-1)(512 C·g~(-1))。VO(OH)_2/CNT SSC當(dāng)功率密度為32.08 Wh·kg~(-1)時(shí)達(dá)到最大能量密度63.66 W·kg~(-1),且循環(huán)3000次后電容保持率為90%。(3)通過(guò)一步水熱法合成了VO(OH)_2/rGO二元復(fù)合材料。與純相VO(OH)_2納米棒相比該二元復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)組成具有明顯不同。VO(OH)_2/rGO中VO(OH)_2為納米片結(jié)構(gòu)并緊密覆蓋在rGO片層表面,少量V~(4+)被氧化V~(5+)。VO(OH)_2/rGO表現(xiàn)出良好的插層贗電容性能。在較寬的-1.2 V~0.8 V的電壓窗口下,電流密度為0.5 A·g~(-1)時(shí)達(dá)到512 F·g~(-1)(1024 C·g~(-1));5000次充放電循環(huán)后電容剩余率為95%。VO(OH)_2/rGO SSC,不僅能夠表現(xiàn)出56.26 Wh·kg~(-1)的高能量密度,還具有出色的柔性和較寬的電壓窗口(2.4 V);特別是將兩個(gè)VO(OH)_2/rGO SSC串聯(lián)后,可分別點(diǎn)亮紅色及藍(lán)色LED 12 min和5 min,證明其具有良好實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。(4)將新型的3D CNT/rGO導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與羥基氧化釩復(fù)合得到混價(jià)的VO_x(OH)_y/CNT/rGO三元復(fù)合材料。VO_x(OH)_y納米線緊密錨定在CNT/rGO網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表面,其中存在V~(4+)和V~(5+)兩種價(jià)態(tài),是一種法拉第電池型電極材料,表現(xiàn)出出色的電化學(xué)性能。在-1.2 V~0.6 V的寬電壓窗口內(nèi),電流密度為0.5 A·g~(-1)時(shí)電容值為414 F·g~(-1)。將其組裝成對(duì)稱器件VO_x(OH)_y/CNT/rGO SSC后,可達(dá)到2.2 V的寬電壓窗口和60.90Wh·kg~(-1)的高能量密度。本論文主要圍繞羥基氧化釩及羥基氧化釩/碳復(fù)合材料的合成及電化學(xué)性能進(jìn)行研究,對(duì)釩的氫氧化物的合成具有啟示作用,填補(bǔ)了羥基氧化釩在超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域的空白,未來(lái)對(duì)羥基氧化釩更深入的儲(chǔ)能研究具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM53;TB332

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本文編號(hào)：2668078