因?yàn)檫^(guò)渡金屬化合物存在著獨(dú)特的理化性能,和豐富的自然儲(chǔ)備,從而一直活躍在日常應(yīng)用和科學(xué)研究之中,尤其體現(xiàn)在催化、儲(chǔ)能、電磁、傳感等領(lǐng)域。越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)及高校致力于合成過(guò)渡金屬化合物納米材料以提升材料性能。在眾多過(guò)渡金屬化合物中,Cd、Co、Mn、Ni硫族化合物成為了科研的熱點(diǎn),因?yàn)槠渚邆浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電化學(xué)性能突出等特點(diǎn),而這些特點(diǎn)恰好滿足科學(xué)家們對(duì)于超級(jí)電容器的研究。本文通過(guò)離子交換法、水熱法等方法合成了一系列結(jié)構(gòu)獨(dú)特、電化學(xué)性能優(yōu)異的過(guò)渡金屬Cd、Co、Mn、Ni硫族化合物納米材料。本文的主要研究?jī)?nèi)容為:1、采用簡(jiǎn)單的兩步水熱法,制備了一種一維的MnO_2@NiCo_2O_4核-殼納米線。作為超級(jí)電容器電極,當(dāng)電流密度是2 A g~(-1)時(shí),比電容為684 F g~(-1),在15 A g~(-1)的大電流密度下,比電容保持在87.4%,擁有不俗的倍率性能。另外,把MnO_2@NiCo_2O_4、多孔碳以及KOH溶液分別作為非對(duì)稱超級(jí)電容器的正極電極、負(fù)極電極和電解液,將其組裝起來(lái)。該設(shè)備在電流密度為1 A g~(-1)時(shí),呈現(xiàn)的比電容為114 F g~(-1)。在電流密度增大至4 A g~(-1)時(shí),循環(huán)7000個(gè)周期后,電容保持在90%。結(jié)果表明,一維MnO_2@NiCo_2O_4核-殼納米線可以作為優(yōu)異的超級(jí)電容器材料。2、通過(guò)簡(jiǎn)單的離子交換法,在泡沫鎳上合成了Ni Co_2O_4@Ni Co_2S_4核-殼納米線陣列。作為超級(jí)電容器電極,在2 A g~(-1)的電流密度下,比電容達(dá)到3176 F g~(-1),在10 A g~(-1)的大電流密度下,比電容能保持在86.52%,擁有不俗的倍率性能。此外,把NiCo_2O_4@NiCo_2S_4、多孔碳以及KOH溶液分別作為非對(duì)稱超級(jí)電容器的正極、負(fù)極和電解液,將其組裝起來(lái)。該設(shè)備在功率密度為752.33 W kg~(-1)時(shí),能量密度為196.8Wh kg~(-1)。以60 mV s~(-1)的掃描速率循環(huán)15000圈之后,比電容提高到137%。結(jié)果表明,NiCo_2O_4@NiCo_2S_4核-殼納米線陣列是較好的超級(jí)電容器材料。3、采用一步水熱法,在鎳泡沫上合成了Ni_3S_2@CdS核-殼納米材料。作為超級(jí)電容器電極,在2 mA cm~(-2)的電流密度下,比電容達(dá)到3.15 F cm~(-2)(2100 F g~(-1)),在15 mA cm~(-2)的大電流密度下,比電容能保持在86.7%,表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。另外,把Ni_3S_2@CdS、多孔碳以及KOH溶液分別作為非對(duì)稱超級(jí)電容器的正極、負(fù)極和電解液,將其組裝起來(lái)。該設(shè)備在1.5 V電壓下具有良好的電化學(xué)性能。在6 mA cm~(-2)的電流密度下,循環(huán)4000個(gè)周期后,比電容提高到原來(lái)的130%。該設(shè)備在電流密度為2 m A cm~(-2)時(shí),表現(xiàn)出高能量密度為127.5 Wh kg~(-1)和相應(yīng)的功率密度為0.995 kW kg~(-1)。結(jié)果表明,Ni_3S_2@CdS是不錯(cuò)的超級(jí)電容器的電極材料。
【學(xué)位單位】：安徽師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1
【部分圖文】：

生活水平提高的同時(shí)，對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)于生態(tài)環(huán)境的破壞也日益久以來(lái)，人們利用化石燃料和天然氣等能源來(lái)滿足生活和生產(chǎn)的需要，然而再生能源的不斷消耗，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源供給之間的矛盾日益加劇。為了實(shí)現(xiàn)境的友好發(fā)展，風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等清潔可再生能源逐漸出現(xiàn)在當(dāng)今的中。然而，能源在轉(zhuǎn)移過(guò)程中容易遭受較大的損耗，因此需要開(kāi)發(fā)高效的儲(chǔ)解決此類問(wèn)題[1-4]。電化學(xué)電容器，俗稱超級(jí)電容器，是一種以界面雙電層礎(chǔ)的介于傳統(tǒng)電容器與化學(xué)電池之間的新型儲(chǔ)能體系，具有潛在的研究?jī)r(jià)值景[5, 6]。相比于傳統(tǒng)電容器，超級(jí)電容器具有電容大和能量密度高的特點(diǎn)，功率密度也遠(yuǎn)大于燃料電池、蓄電池等化學(xué)電池，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成放電任務(wù)。總的來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容器具備化學(xué)電池和傳統(tǒng)電容器的優(yōu)勢(shì)，其性兩者之間（如圖 1-1 所示）。此外，超級(jí)電容器還具備溫度區(qū)間寬、充電快期長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。這些特點(diǎn)很好的符合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的主題，能用在各大用電設(shè)備上。

1.1.2 超級(jí)電容器原理電極、電解液、隔膜是超級(jí)電容器的三大部分組成，其中影響電化學(xué)性能的主要因素是電極材料。超級(jí)電容器分為兩大類：雙電層型超級(jí)電容器[10, 11]，贗電容型超級(jí)電容器[12, 13]。雙電層超級(jí)電容器是通過(guò)帶電離子在電極表面的物理吸附進(jìn)行儲(chǔ)能，在電場(chǎng)作用下，陰、陽(yáng)離子分別被正、負(fù)極吸附，最終在電極表面形成雙電層。當(dāng)撤銷電場(chǎng)作用后，正負(fù)電極上電荷往外電路發(fā)生遷移從而形成電流。贗電容超級(jí)電容器是利用電活性物質(zhì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)能。充電時(shí)，離子遷移至電極/電解液界面，發(fā)生氧化還原反應(yīng)進(jìn)入電活性物質(zhì)的體相中，因此能將大量的電荷存儲(chǔ)在電極材料中。放電時(shí)，電活性物質(zhì)會(huì)發(fā)生氧化還原逆反應(yīng)，產(chǎn)生的電荷通過(guò)外電路釋放形成電流，而離子則進(jìn)入到電解液中�？偟膩�(lái)說(shuō)，雙電層超級(jí)電容器儲(chǔ)能的關(guān)鍵在于離子電導(dǎo)，在電場(chǎng)作用下，離子不斷在正負(fù)電極表面進(jìn)行吸脫附，因此其反應(yīng)時(shí)間短、電阻小。而贗電容超級(jí)電容器工作時(shí)要發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，因此反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，電容量較大。圖 1-2 中(a)和(b)分別為雙電層電容器和贗電容器的工作原理圖。

圖 1-3 (a–c) 為 NiO 介晶的 SEM 圖，(d–f) 為 NiO 介晶的 TEM 圖，高分辨圖以及對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖，(g–k) 為 NiO 介晶的 SEM 圖以及 EDX 映射圖圖介晶的形貌圖以及循環(huán)性能圖。Figure 1-3 The (a–c) SEM images, (d–f) TEM and HRTEM images with a corresponding selected arelectron diffraction (SAED) pattern (inset in e), (g–k) SEM and corresponding EDS mapping imagesQiu 課題組[34]認(rèn)為構(gòu)建具有理想形態(tài)和尺寸的過(guò)渡金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)是追高性能電極材料的關(guān)鍵所在。他們通過(guò)兩步水熱法成功地在泡沫鎳上合成了超Co3O4納米片，該材料的厚度大約為 10 nm。如圖 1-4 為超薄 Co3O4納米片的合成意圖。首先，通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法在泡沫鎳基底上形成 Co(OH)2納米片，在第二步水反應(yīng)中，加入鈷鹽以及適當(dāng)?shù)膲A性原料（尿素或者六亞甲基四胺），形成了不同形和尺寸的納米結(jié)構(gòu)，最后退火形成超薄 Co3O4納米片。作為超級(jí)電容器電極材料，在 1.8 A g 1(5 mA cm 2)的電流密度下，獲得較高比電容（1782 F g 1），遠(yuǎn)高于較厚的納米級(jí)（300 F g 1）。超薄納米片陣列電極表出良好的倍率性能，在電流密度為 30 mA cm 2時(shí)保持初始容量的 51％，并具有出的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在 2000 次循環(huán)后仍保留 90％的電容。他們認(rèn)為如此高的性能歸功
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