【摘要】：本文對鈷、鋅、鐵金屬氧化物的合成、多壁碳納米管(MWCNTs)與金屬氧化物的復合及在超級電容器方面的電化學行為進行了研究。研究的詳細內(nèi)容和所得到的成果如下所示:1)通過一種兩步合成方法在泡沫鎳上合成ZnCo_2O_4/ZnO@MWCNTs復合物,MWCNTs均勻覆蓋形成雙導電的結構,ZnO一方面能促進納米片中ZnCo_2O_4的電子傳遞,另一方面能夠在反應過程中對納米管進行反包覆。使得原本機械包覆的碳材料轉(zhuǎn)變成化學結合。將這種夾層狀復合物直接用作超級電容器正極,展現(xiàn)出了1840.2 F g~(-1)的比電容,在3000次循環(huán)之后仍有80.2%的容量保留。2)我們以活性炭為負極,以ZnCo_2O_4/ZnO@MWCNTs為正極組裝了Zn1Co2@MWCNTs//AC非對稱性超級電容器,器件在1A g~(-1)的電流密度下有111.8F g~(-1)的比電容,在功率密度為900 W kg~(-1)時具備能量密度為48.1 W h kg~(-1)。四個紅色LEDs燈和一個黃色LED燈分別被點亮,紅燈在明亮發(fā)光狀態(tài)下能夠保持23分鐘,黃色則能持續(xù)55分鐘。因此,我們所制備的這種非對稱的超級電容器作為電化學的能量儲存器件被認為具備很大的可利用前景。3)優(yōu)化合成方法制備高比電容的Fe_3O_4基復合物,最終獲得能將Fe_3O_4和MWCNTs結合更好的實驗方案。通過兩種不同方法,我們分別合成了Fe_3O_4/Fe-MWCNTs納米復合物和Fe_3O_4/MWCNTs@MnO_2復合物,探究它們做超級電容器負極的性能。首先用一種簡便的吸附和NaBH_4還原方法在室溫下合成了Fe_3O_4/Fe-MWCNTs納米復合物。與傳統(tǒng)的合成方法(共沉淀、熱分解、高溫溶劑熱法)相比,此種方法在材料消耗、環(huán)境友好等諸多方面都有明顯的優(yōu)勢,而且操作簡單。Fe_3O_4/Fe-MWCNTs相比于單純Fe_3O_4顆粒,比電容得到提高,電壓區(qū)間增大。我們對其合成的機理做出解釋,包括鐵離子如何在碳納米管表面的官能團上附著,如何演化成最終的Fe_3O_4/Fe顆粒。為了繼續(xù)提高Fe_3O_4與MWCNTs結合生成的復合物的電化學性能,我們用水熱法合成了Fe_3O_4/MWCNTs復合物,該合成方法相對簡單,合成樣品中的Fe_3O_4具有非常均勻地納米球型形貌,球體粒徑基本保持在30 nm。Fe_3O_4與多壁碳納米管緊密的結合,形成了廣泛的導電網(wǎng)絡。電容性能實現(xiàn)了明顯的提升。在1A g~(-1)的電流密度下能夠放電633 s,比電容可以達到489.2 F g~(-1),較比以往的Fe_3O_4基電容器,電容提升30%。在此基礎上,我們繼續(xù)生長一層MnO_2得到Fe_3O_4/MWCNTs@MnO_2,有效改善樣品的循環(huán)穩(wěn)定性。MnO_2以薄網(wǎng)狀覆蓋在Fe_3O_4@MWCNT上,使其結合緊密。同時,我們單獨合成了Fe_3O_4球狀顆粒作為對照組。我們所合成的Fe_3O_4/MnO_2@MWCNTs具有媲美活性炭的電化學性能,因此具有良好地發(fā)展前景。
【圖文】：

圖 1.1 雙電層電容器的儲能和能量釋放示意圖Fig.1.1 Schematic diagram of energy storage and energy release of double layercapacitors1.3.2 法拉第贗電容電容器法拉第贗電容電容器也常被稱為偽電容電容器和電化學電容器，它們在充放電的過程中，電極表面上的電活性物質(zhì)具有快速可逆的氧化/還原反應或法拉第電荷轉(zhuǎn)移反應，因此可以存儲能量。法拉第贗電容可通過兩種方式來存儲電荷：一種是雙電層式的，通過對離子的吸附實現(xiàn)對電荷的存儲，另一種則是上述提到的氧化還原反應產(chǎn)生的能量存儲，后者較為核心。1957-1981 年，贗電容電容器才逐漸進入人們的視野。相比于傳統(tǒng)電容，它具有更高的能量密度，相比于鋰電池，它則彌補了功率密度的不足。然而，贗電容材料在存儲和釋放電能的過程中，由于需要發(fā)生復雜的化學反

圖 1.2 （a）線狀超級電容器——摩擦納米發(fā)電供電儲能系統(tǒng)；（b）FSC 中RuO2·xH2O@CarbonFiber 電極的 SEM 圖像；（c）RuO2·xH2O 覆蓋在碳纖維上的的 SEM 圖像，插圖為碳纖維 SEM 圖像Fig.1.2 (a) Schedule of integrating the fiber-based supercapacitor triboelectricnanogenerator power system; b) SEM image of RuO2·xH2O@CarbonFiberelectrode of FSC; (c) RuO2·xH2O coating on a single fi ber, with a single carbon fiber shown in the up-right cornerNi(OH)2和 Co(OH)2具有高理論電容（Ni(OH)2為 3460 F g-1，Co(OH)2為 2584F g-1）[25, 26]、低成本、儲量豐富以及明顯的氧化還原行為。如圖 1.4 所示，，合成Ni(OH)2和 Co(OH)2最普遍和最高效的方法是在泡沫鎳上原位生長，獲得的薄片狀氫氧化物不僅擁有較高的比表面積，同時具有超高的比電容。然而，由于這些材料較高的內(nèi)電阻，阻礙了電解質(zhì)/電極界面的電子傳輸，因此 Ni(OH)2和 Co(OH)2及其復合物所達到的電容低于理論比電容。具有雙金屬的復合材料可以用其積累
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM53;TB332

【參考文獻】

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1 榮耀光;梅安意;劉林峰;李雄;韓宏偉;;全固態(tài)介觀太陽能電池:從染料敏化到鈣鈦礦[J];化學學報;2015年03期

本文編號：2639158