二氧化鈰基超級(jí)電容器電極材料的制備及其性能研究

發(fā)布時(shí)間：2020-08-01 17:35

【摘要】：隨著日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和對(duì)能源消耗需求的持續(xù)增加,開(kāi)發(fā)可持續(xù)和環(huán)保的替代能源和儲(chǔ)能裝置成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。因此,開(kāi)發(fā)具有器件輕簡(jiǎn),能量轉(zhuǎn)換快,成本低廉等優(yōu)點(diǎn)的能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)備裝置成為主要的研究方向。目前,能夠滿足上述特性的儲(chǔ)能裝置有:二次電池、燃料電池和超級(jí)電容器。相比較電池和電容器而言,超級(jí)電容器被認(rèn)為是最有前途的能量發(fā)生和儲(chǔ)存系統(tǒng),因?yàn)樗鼈儞碛锌斐?快放電,高功率密度,長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性,環(huán)境友好,低成本和操作安全的特性。超級(jí)電容器電極材料的性能及形貌特征對(duì)總體性能起著至關(guān)重要的作用。目前,許多研究都集中在具有高容量,高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的電極材料的設(shè)計(jì)上。其中,已經(jīng)進(jìn)行了許多努力來(lái)研究贗電容金屬基氧化物電極材料,相比于典型的碳基雙電層電容器和導(dǎo)電聚合物電容器,它們更有利于充放電過(guò)程中電極材料/電解液接觸和電子擴(kuò)散。CeO_2材料原料價(jià)廉、存在氧空穴,有利于發(fā)生Ce~(3+)/Ce~(4+)氧化還原反應(yīng),因此其用于超級(jí)電容器電極材料有極大潛能。在本工作中通過(guò)簡(jiǎn)單方法制備了CeO_2/過(guò)渡金屬氧化物(MnO_2,Fe_2O_3,Co_3O_4)的復(fù)合材料,主要內(nèi)容如下:(1)通過(guò)簡(jiǎn)便方法制備了一種超長(zhǎng)MnO_2@CeO_2納米線,其長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米,直徑范圍30~80 nm。采用三電極電化學(xué)工作站及2 mol/L氫氧化鉀為電解質(zhì)溶液中,在0.18~0.45 V的窗口電壓下探測(cè)MnO_2@CeO_2活性材料的電化學(xué)研究。MnO_2@CeO_2在掃描速率為5 mV/s時(shí)的比電容為265 F/g。結(jié)果表明,MnO_2@CeO_2作為超級(jí)電容器電極材料時(shí)表現(xiàn)出較好的應(yīng)用潛力。(2)以Ce(NO_3)_3?6H_2O和K_4[Fe(CN)_6]·3H_2O為原料、去離子水為溶劑,通過(guò)沉淀法成功制備出了具有松塔雙錐形貌樣品,500℃空氣氛圍分解4 h后得到CeO_2/Fe_2O_3復(fù)合材料,另外探究了其他實(shí)驗(yàn)條件(物料比、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間)對(duì)產(chǎn)物形貌的影響。使用一系列表征手段對(duì)產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,并測(cè)試了CeO_2/Fe_2O_3復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料的性能。在2 mol/L KOH溶液中,電位窗口0.18~0.45 V(vs.SCE)時(shí),CeO_2/Fe_2O_3作為電極材料表現(xiàn)出良好的比電容,在掃速為1 mV/s時(shí),其比電容可達(dá)到332.9F/g。(3)通過(guò)簡(jiǎn)單的陽(yáng)離子交換途徑,然后進(jìn)行熱處理,成功地獲得了復(fù)合材料CeO_2/Co_3O_4/C中空多面體。在合成過(guò)程中,首先制備了Co基前驅(qū)體多面體骨架(ZIF-67),其可作為交換Ce~(3+)離子的主體和復(fù)合材料CeO_2/Co_3O_4/C中空多面體的模板。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示,CeO_2/Co_3O_4/C多面體在2.5A/g時(shí)具有131 F/g的比電容,并具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。這表明CeO_2/Co_3O_4/C作為電化學(xué)儲(chǔ)能材料表現(xiàn)出深遠(yuǎn)意義。更重要的是,我們認(rèn)為該思路為制備具有所需結(jié)構(gòu),化學(xué)組成和應(yīng)用的其他復(fù)合金屬氧化物的簡(jiǎn)單且通用的策略。
【學(xué)位授予單位】：江西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM53;O614.332
【圖文】：