發(fā)布時間：2017-12-06 19:31

  本文關(guān)鍵詞：多孔鎳基電極材料的可控制備及其電化學性能研究

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【摘要】：無論是超級電容器儲能還是電解水制氫,電極材料都是影響它們整體性能的關(guān)鍵因素之一。目前,由于電極材料存在導電性差、比表面積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等問題,導致超級電容器的能量密度和性能穩(wěn)定性以及電解水裝置的槽電壓和制氫效率都無法滿足實際生產(chǎn)需要,從而制約了超級電容器儲能和電解水制氫的發(fā)展。因此,本論文擬通過簡易、可控的電沉積技術(shù)在導電基體上合成多孔鎳基電極材料,該類電極具有大的比表面積、良好的導電性和穩(wěn)定的孔狀結(jié)構(gòu),有望替代傳統(tǒng)的碳基材料,成為新一代的電極材料。電化學測試結(jié)果表明:這些多孔鎳基電極具有高比電容、快速充放電和性能穩(wěn)定性等優(yōu)點,通過自組裝成不對稱超級電容器,能明顯提高電容器的能量密度。此外,部分多孔鎳基電極也表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化電解水產(chǎn)氫和析氧性能,組裝成完整電解水器件后,能有效地降低電解水的槽電壓。具體內(nèi)容如下:(1)針對聚吡咯存在的實際電容低、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等缺陷,制備了一種新型的聚吡咯@三維鎳金屬核殼結(jié)構(gòu)電極(PPy@3D-Ni)。在這個理性設(shè)計的電極中,不僅鎳金屬有效提高了聚吡咯的導電性,而且三維多孔的結(jié)構(gòu)能夠促進電解質(zhì)離子的短暫蓄存和快速傳輸,從而大大提高聚吡咯的比電容和循環(huán)穩(wěn)定性。基于PPy@3D-Ni電極組裝的對稱電容器,顯示了很高的比能量密度(21.2 Wh kg-1)和非常好的穩(wěn)定性。(2)區(qū)別于PPy以膜的方式沉積在3D-Ni表面,NixCo2x(OH)6x層狀納米片生長在雙重3D-Ni骨架表面上面,使電極材料的負載量和活性位點量得到增大,減少了活性位點死角。在大負載量NixCo2x(OH)6x的情況下,復(fù)合電極依然保持高比電容、高倍率電容和穩(wěn)定性好等特點。與此同時,基于對稱電容器電位窗口較小的缺點,組裝了基于Ni_xCo_(2x)(OH)_(6x)@Ni電極為正極和活性炭/碳納米管混合材料為負極的不對稱超級電容器,結(jié)果表明:其電位窗口能拓寬達到1.5 V,且能量密度達到44.2 Wh kg-1。此外,其3D片層狀結(jié)構(gòu)能夠促進電荷傳遞和電解液離子傳輸,也有利于析出氣體的疏散排出,從而也表現(xiàn)出優(yōu)越的電解水OER催化活性和長時間穩(wěn)定性能。(3)結(jié)合PPy材料負的操作電位窗口和片層結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)越性,將PPy沉積在雙重3D-Ni骨架@花瓣狀MnO_2表面,制備出了蝸牛狀的Ni@MnO_2@PPy,其操作電位窗口為-0.7~0.1 V(vs.SCE),具備作為不對稱超級電容器負極的能力。通過改變PPy和MnO_2電沉積的次序,還可以制備出毛毛球狀的Ni@PPy@MnO_2,該電極主要表現(xiàn)出MnO_2的電化學行為,其操作電位窗口為0~0.8 V(vs.SCE),可作為不對稱超級電容器的正極。因此,基于以上兩種電極組裝了一種不對稱超級電容器,其穩(wěn)定電位窗口在1.3~1.5 V之間,最大比能量密度可達59.8 Wh Kg-1。(4)通過理性設(shè)計和可控合成了一種多孔的高氯酸摻雜PPy@NiNTAs。旨在用自下而上的策略,從分子水平(高氯酸摻雜)到納米尺寸(孔洞和波疊加PPy納米包裹)再到微米級別(自支撐的Ni納米管陣列膜)去提升PPy的贗電容和穩(wěn)定性,其穩(wěn)定電位窗口為-0.8~0.7 V vs.SCE,具備作為超級電容器正負極的能力。應(yīng)用NiNTAs@PPy膜電極,分別組裝了對稱和不對稱超級電容器,它們展現(xiàn)了較高的比能量密度(≈50.0 Wh Kg-1)。(5)通過溫和簡單的方法制備了自生長的3D多孔Ni/NiP和Ni/NiS電極,分別具有獨特的氧化物/NiP和氧化物/NiS異質(zhì)結(jié),展現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能催化性能。電化學測試結(jié)果和機理解析表明:3D多孔結(jié)構(gòu)、活性物質(zhì)與電極之間強勁的結(jié)合力、快速的電荷傳遞能力和獨特的結(jié)構(gòu)誘導電子效應(yīng)等是Ni/NiP電極展現(xiàn)出高效穩(wěn)定的HER和OER催化性能的主要原因�；贜i/NiP電極組裝的Ni/NiP//Ni/NiP電解器,其僅需1.61 V槽電壓就可達到10 mA cm-2的電流密度,同時展現(xiàn)了非常穩(wěn)定的電解水性能和100%的法拉第效率。
【學位授予單位】：廣州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O646.54

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