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、金屬氧化物和導電聚合物是常用的超電電極材料,各種材料各有優(yōu)缺點。其中通過在電極表面的快速法拉第反應來存儲電荷的廉價的過渡金屬氧化物是應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電性差,電化學窗口較窄。一般來說,納米電極材料雖然能夠極大的提升材料的性能,但是依然受其導電性,循環(huán)穩(wěn)定性和機械穩(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?生物材料在進化過程中形成了分級結(jié)構(gòu)、多功能一體化和自組裝等獨特的特征,在結(jié)構(gòu)和功能材料的設計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,探索生物模板對電極材料結(jié)構(gòu)和電化學性能的影響。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)導向劑,通過煅燒、水熱等方法來復制生物模板復雜且精確的多級結(jié)構(gòu),制備了結(jié)構(gòu)獨特、電化學性能優(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)等對復合材料的結(jié)構(gòu)、形貌進行了表征。結(jié)果表明,復合電極材料遺傳了木材模板的生物形貌特點和多級孔道結(jié)構(gòu)。納米級金屬單質(zhì)Co(Ni)和金屬氧化物CoO(NiO)均勻負載在木炭孔道表面。C/Co/CoO、C/Ni/NiO復合電極材料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/碳復合電極材料。測試表明,Mn2O3/Mn3O4/C復合材料不僅復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】：超級電容器 生物模板法 過渡金屬氧化物電極材料 多級孔結(jié)構(gòu) 微納米結(jié)構(gòu)
【學位授予單位】：寧夏大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O611.62;TM53
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 論文中的物理符號及縮寫清單10-11
• 第一章 緒論11-31
• 1.1 引言11
• 1.2 超級電容器的簡介11-14
• 1.2.1 什么是超級電容器?11-12
• 1.2.2 超級電容器的儲能原理12-14
• 1.3 超級電容器的基本構(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電容器中的發(fā)展16-19
• 1.4.1 錳氧化物在超級電容器中的應用16-17
• 1.4.2 鈷氧化物在超級電容器中的應用17
• 1.4.3 鎳氧化物在超級電容器中的應用17-18
• 1.4.4 鐵氧化物在超級電容器中的應用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、鎳基三元復合電極材料及在超級電容器中的研究31-47
• 2.1 前言31-32
• 2.2 實驗部分32-35
• 2.2.1 實驗儀器與試劑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復合材料的XRD、SEM表征37-38
• 2.3.3 C/Co復合材料的電化學性能測試38-39
• 2.3.4 C/Co/CoO、C/Ni/NiO復合材料的XRD表征39-41
• 2.3.5 C/Co/CoO、C/Ni/NiO復合材料的SEM表征41-43
• 2.3.6 C/Co/CoO、C/Ni/NiO復合材料的N_2吸附-脫附測試43
• 2.3.7 C/Co/CoO、C/Ni/NiO復合材料的電化學性能測試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復合電極材料及在超級電容器中的研究47-62
• 3.1 前言47-48
• 3.2 實驗部分48-50
• 3.2.1 實驗儀器與試劑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性能測試50
• 3.3 實驗結(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復合材料的XRD表征52-54
• 3.3.3 生物形態(tài)氧化錳/C復合材料的FTIR表征54-55
• 3.3.4 生物形態(tài)氧化錳/C復合材料的形貌表征55-57
• 3.3.5 生物形態(tài)氧化錳/C復合材料的N_2吸附-脫附測試57-58
• 3.3.6 生物形態(tài)氧化錳/C復合材料的電化學性能測試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電極材料及在超級電容器中的研究62-76
• 4.1 前言62-63
• 4.2 實驗部分63-65
• 4.2.1 實驗儀器與試劑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78-87
• 致謝87-88
• 個人簡介88

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