本文關(guān)鍵詞：仿生合成過渡金屬氧化物基電極材料及其超電性能研究

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【摘要】：近年來,超級(jí)電容器因其高功率密度、可快速充放電以及循環(huán)壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注,但較低能量密度和較高成本是制約其發(fā)展的主要瓶頸。因而制備具有低成本、適宜孔徑分布、高比表面積和低電阻率的新型結(jié)構(gòu)電極材料是解決這一問題的關(guān)鍵。碳、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物是常用的超電電極材料,各種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中通過在電極表面的快速法拉第反應(yīng)來存儲(chǔ)電荷的廉價(jià)的過渡金屬氧化物是應(yīng)用較廣的一類贗電容電極材料。然而,氧化物電極的不足在于本征導(dǎo)電性差,電化學(xué)窗口較窄。一般來說,納米電極材料雖然能夠極大的提升材料的性能,但是依然受其導(dǎo)電性,循環(huán)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性的制約限制。如何充分發(fā)揮納米電極材料的優(yōu)勢呢?生物材料在進(jìn)化過程中形成了分級(jí)結(jié)構(gòu)、多功能一體化和自組裝等獨(dú)特的特征,在結(jié)構(gòu)和功能材料的設(shè)計(jì)中有重要的借鑒意義。本論文以不同過渡金屬鹽作為前驅(qū)體,將綠色環(huán)保、廉價(jià)易得的生物模板引入到電極材料的制備過程,探索生物模板對(duì)電極材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。分別以植物(木材和棉花)和生物大分子(氨基酸)作為模板和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,通過煅燒、水熱等方法來復(fù)制生物模板復(fù)雜且精確的多級(jí)結(jié)構(gòu),制備了結(jié)構(gòu)獨(dú)特、電化學(xué)性能優(yōu)異的過渡金屬氧化物基電極材料。主要研究內(nèi)容如下：以木材作為生物模板和碳源,以硝酸鈷(或硝酸鎳)作為前驅(qū)體,通過簡單的真空浸漬、在N2氣氛下煅燒制得C/Co/CoO、C/Ni/NiO復(fù)合電極材料。通過X-射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、N2等溫吸附-脫附(BET)等對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,復(fù)合電極材料遺傳了木材模板的生物形貌特點(diǎn)和多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)。納米級(jí)金屬單質(zhì)Co(Ni)和金屬氧化物CoO(NiO)均勻負(fù)載在木炭孔道表面。C/Co/CoO、C/Ni/NiO復(fù)合電極材料BET比表面積分別是369 m2/g、376 m2/g。C/Co/CoO、C/Ni/NiO復(fù)合電極材料在10mV/s掃速下比電容分別為711 F/g、976 F/g；在5 A/g電流密度下循環(huán)500次,C/Co/CoO、C/Ni/NiO的電容保持率分別為73.7%、73.9%。以棉花作為生物模板,以含錳前驅(qū)體作為錳源,通過簡單的超聲、煅燒制備生物形態(tài)氧化錳(Mn2O3/Mn3O4/C)復(fù)合電極材料。調(diào)控錳源、濃度和煅燒溫度,可以得到不同組分、不同形貌的氧化錳/碳復(fù)合電極材料。測試表明,Mn2O3/Mn3O4/C復(fù)合材料不僅復(fù)制了棉花的纖維管狀中空結(jié)構(gòu),而且形成了納米顆粒組裝的超分子結(jié)構(gòu)。N2吸附-脫附測試和電化學(xué)性能測試表明：Mn2O3/Mn3O4/C電極材料的BET比表面積是76m2/g,10mV/s掃速下比電容達(dá)438 F/g；而無模板法制備的樣品BET比表面積3 m2/g,比電容僅19 F/g。以氨基酸作為生物模板和礦化劑,采用水熱法,通過調(diào)控氨基酸種類、使用量和水熱溫度來制備微納米結(jié)構(gòu)Fe3O4和Ni(OH)2電極材料。研究結(jié)果表明：使用堿性氨基酸(賴氨酸)可以得到顆粒表面具有更加精細(xì)微納米結(jié)構(gòu)Fe3O4材料。N2吸附-脫附測試表明,具有微納米結(jié)構(gòu)的Fe3O4材料具有更大的比表面積(BET比表面積93 m2/g),從而使它表現(xiàn)出優(yōu)良的超電性能,在10mV/s掃速下比電容達(dá)633 F/g。微納米結(jié)構(gòu)Ni(OH)2電極材料10 mV/s掃速下比電容達(dá)710 F/g,500次循環(huán)后,電容保持率是78.9%,材料循環(huán)穩(wěn)定性良好。
【關(guān)鍵詞】：超級(jí)電容器 生物模板法 過渡金屬氧化物電極材料 多級(jí)孔結(jié)構(gòu) 微納米結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：寧夏大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O611.62;TM53
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 論文中的物理符號(hào)及縮寫清單10-11
• 第一章 緒論11-31
• 1.1 引言11
• 1.2 超級(jí)電容器的簡介11-14
• 1.2.1 什么是超級(jí)電容器?11-12
• 1.2.2 超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理12-14
• 1.3 超級(jí)電容器的基本構(gòu)成14-16
• 1.3.1 電解質(zhì)14
• 1.3.2 隔膜14-15
• 1.3.3 電極材料15-16
• 1.4 過渡金屬氧化物在超級(jí)電容器中的發(fā)展16-19
• 1.4.1 錳氧化物在超級(jí)電容器中的應(yīng)用16-17
• 1.4.2 鈷氧化物在超級(jí)電容器中的應(yīng)用17
• 1.4.3 鎳氧化物在超級(jí)電容器中的應(yīng)用17-18
• 1.4.4 鐵氧化物在超級(jí)電容器中的應(yīng)用18-19
• 1.5 綠色新型制備方法—生物模板法19-29
• 1.5.1 什么是生物模板法?19-20
• 1.5.2 植物模板法20-22
• 1.5.3 動(dòng)物模板法22-25
• 1.5.4 生物分子模板法25-26
• 1.5.5 微生物模板法26-29
• 1.6 課題的研究內(nèi)容29-31
• 1.6.1 論文研究意義與目的29
• 1.6.2 論文研究主要內(nèi)容29-31
• 第二章 木材模板制備鈷基、鎳基三元復(fù)合電極材料及在超級(jí)電容器中的研究31-47
• 2.1 前言31-32
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分32-35
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑32
• 2.2.2 制備方法32-34
• 2.2.3 樣品的形貌、結(jié)構(gòu)表征34-35
• 2.2.4 制備工作電極和電化學(xué)性能測試35
• 2.3 結(jié)果與討論35-46
• 2.3.1 木炭的TGA、XRD和SEM表征35-37
• 2.3.2 C/Co復(fù)合材料的XRD、SEM表征37-38
• 2.3.3 C/Co復(fù)合材料的電化學(xué)性能測試38-39
• 2.3.4 C/Co/CoO、C/Ni/NiO復(fù)合材料的XRD表征39-41
• 2.3.5 C/Co/CoO、C/Ni/NiO復(fù)合材料的SEM表征41-43
• 2.3.6 C/Co/CoO、C/Ni/NiO復(fù)合材料的N_2吸附-脫附測試43
• 2.3.7 C/Co/CoO、C/Ni/NiO復(fù)合材料的電化學(xué)性能測試43-46
• 2.4 本章小結(jié)46-47
• 第三章 棉花模板制備生物形態(tài)氧化錳/C復(fù)合電極材料及在超級(jí)電容器中的研究47-62
• 3.1 前言47-48
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分48-50
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑48
• 3.2.2 制備方法48-49
• 3.2.3 樣品的結(jié)構(gòu)、形貌表征49-50
• 3.2.4 制備工作電極和電化學(xué)性能測試50
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論50-61
• 3.3.1 棉花模板的TGA、XRD和形貌表征50-52
• 3.3.2 生物形態(tài)氧化錳/C復(fù)合材料的XRD表征52-54
• 3.3.3 生物形態(tài)氧化錳/C復(fù)合材料的FTIR表征54-55
• 3.3.4 生物形態(tài)氧化錳/C復(fù)合材料的形貌表征55-57
• 3.3.5 生物形態(tài)氧化錳/C復(fù)合材料的N_2吸附-脫附測試57-58
• 3.3.6 生物形態(tài)氧化錳/C復(fù)合材料的電化學(xué)性能測試58-61
• 3.4 本章小結(jié)61-62
• 第四章 賴氨酸制備微納米結(jié)構(gòu)Fe_3O_4、Ni(OH)_2電極材料及在超級(jí)電容器中的研究62-76
• 4.1 前言62-63
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分63-65
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑63
• 4.2.2 制備方法63-64
• 4.2.3 樣品的形貌、結(jié)構(gòu)表征64
• 4.2.4 制備工作電極和電化學(xué)性能測試64-65
• 4.3 結(jié)果與討論65-74
• 4.3.1 不同氨基酸制備Fe_3O_4材料的XRD表征65-66
• 4.3.2 不同賴氨酸用量制備Fe_3O_4材料的XRD表征66
• 4.3.3 不同賴氨酸用量制備Fe_3O_4材料的SEM表征66-67
• 4.3.4 不同水熱溫度制備Fe_3O_4材料的XRD表征67-68
• 4.3.5 不同水熱溫度制備Fe_3O_4材料的SEM表征68-69
• 4.3.6 微納米結(jié)構(gòu)Fe_3O_4材料的N_2吸附-脫附測試69-70
• 4.3.7 微納米結(jié)構(gòu)Fe_3O_4材料的電化學(xué)性能測試70-72
• 4.3.8 Ni(OH)_2材料的XRD表征72-73
• 4.3.9 Ni(OH)_2材料的SEM表征73
• 4.3.10 微納米結(jié)構(gòu)Ni(OH)_2材料的N_2吸附-脫附測試73-74
• 4.3.11 微納米結(jié)構(gòu)Ni(OH)_2材料的電化學(xué)性能測試74
• 4.4 本章小結(jié)74-76
• 第五章 結(jié)論76-78
• 參考文獻(xiàn)78-87
• 致謝87-88
• 個(gè)人簡介88

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1 耿，

本文編號(hào)：718615