金屬氧化物納米陣列結(jié)構(gòu)的合成及其超電容性能的研究.pdf

1、隨著日益增長(zhǎng)的移動(dòng)電子設(shè)備對(duì)能源的需求，作為電化學(xué)儲(chǔ)能元件，超級(jí)電容器因其快速充放電，高功率密度，長(zhǎng)循環(huán)壽命和較低的成本，受到了廣泛的關(guān)注。然而較低的能量密度限制了超級(jí)電容器在許多重要領(lǐng)域的應(yīng)用。為了克服這一缺陷，研究者致力于提升超級(jí)電容器的能量密度，使其達(dá)到電池的水平。一種行之有效的方法是在導(dǎo)電基底上生長(zhǎng)金屬氧化物納米陣列結(jié)構(gòu)，直接作為無(wú)粘結(jié)劑的集成化電極。這樣的設(shè)計(jì)在提高比容量，改善循環(huán)性能以及獲得良好的倍率性能方面，具有突出的優(yōu)勢(shì)

2、。因?yàn)殛嚵须姌O具有較為獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。較高的比表面積提供了更多的活性位點(diǎn)，與基底材料保持緊密接觸的納米陣列可為電子的快速傳遞提供有效的通道，陣列單元之間的空隙有利于電解液離子擴(kuò)散進(jìn)入電極內(nèi)部，復(fù)合核殼陣列可以發(fā)揮不同組分之間的協(xié)同作用。本文的研究目標(biāo)在于采用簡(jiǎn)單環(huán)保的水熱法合理設(shè)計(jì)不同種類的金屬氧化物納米陣列結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)地研究陣列的生長(zhǎng)過程以及不同陣列結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響。研究它們?cè)诔?jí)電容器應(yīng)用方面的性能優(yōu)勢(shì)。研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾點(diǎn)

3、：
　?。?）在本章，我們報(bào)道了一種簡(jiǎn)單的無(wú)模板水熱法在泡沫鎳基底上大面積合成CoMoO4納米片陣列，CoMoO4納米片陣列的形貌通過掃描電鏡和透射電鏡來表征，納米片的晶相結(jié)構(gòu)通過XRD測(cè)試確定。通過一系列改變反應(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，研究 CoMoO4納米片陣列的生長(zhǎng)過程，推測(cè)其形成機(jī)理。將 CoMoO4納米片陣列直接作為無(wú)粘結(jié)劑電極應(yīng)用于超電容的性能測(cè)試，CoMoO4納米片陣列表現(xiàn)出非常好的電容特性。在4 mA cm-2電流密度下，納米

4、片陣列的比容量高達(dá)1.26 F cm-2。在12 mA cm-2電流密度下，4000次循環(huán)保持率為79.5％，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于CoMoO4粉體材料。這主要?dú)w因于CoMoO4完全可逆的電化學(xué)屬性和納米片陣列低電阻多通道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
　?。?）一種簡(jiǎn)單可行的無(wú)模板水熱法用于在泡沫鎳基底上合成NiMoO4納米線陣列，并構(gòu)建高性能超級(jí)電容器。所制備的NiMoO4納米線陣列在大電流密度（112 mA cm-2即74.7 A g-1）下，表現(xiàn)出很

5、高的比容量（1.96 F cm-2即1308 F g-1），并且具有良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。這樣突出的電容性能是因?yàn)橐痪S納米線陣列的電極結(jié)構(gòu)，以及雙金屬氧化物中Ni與 Mo兩種元素的協(xié)同作用。我們的工作證實(shí)了合理設(shè)計(jì)新穎的先進(jìn)電極材料的可行性，而且電極合成思路與設(shè)計(jì)理念，適用于在導(dǎo)電基底上大面積構(gòu)建其他二元、三元金屬氧化物陣列結(jié)構(gòu)，作為高性能超級(jí)電容器的電極材料。
　　（3）通過低成本綠色環(huán)保的水熱法，成功地在柔性碳布基底上生

6、長(zhǎng)NiMoO4納米線陣列，并直接用于超級(jí)電容器性能測(cè)試。碳布上的NiMoO4納米線陣列在電化學(xué)測(cè)試中，具有較高的比容量。在電流密度為5 mA cm-2時(shí)，比容量為1.27 F cm-2（1587 F g-1）。在電流密度提高至30 mA cm-2時(shí)，比容量保持在0.76 F cm-2（951 F g-1）。而且，它具備良好的循環(huán)能力（在4000次充放電循環(huán)后，依然保持初始容量的76.9%）。我們將碳布上的NiMoO4納米線陣列構(gòu)建成對(duì)稱

7、的雙電極電容器元件進(jìn)行測(cè)試，最大電壓可達(dá)到1.7 V，同時(shí)獲得較高的能量密度（70.7 Wh kg-1）和功率密度（在14.1 Wh kg-1能量密度下，功率密度為16,000 W kg-1）。這些研究結(jié)果表明，鉬酸鎳納米線陣列具有較大的比表面積，結(jié)合柔性碳布基底，為實(shí)用型超級(jí)電容器提供了廣闊的前景。
　　（4）我們通過高錳酸鉀與碳的氧化還原反應(yīng)，在碳布上原位合成了有序的MnO2納米片陣列，運(yùn)用SEM、TEM、XRD、TGA等多種

8、手段表征其微觀形貌結(jié)構(gòu)。并通過對(duì)水熱反應(yīng)時(shí)間的調(diào)控，研究MnO2納米片陣列在碳布上的生長(zhǎng)過程。研究結(jié)果表明，反應(yīng)時(shí)間對(duì)MnO2納米片陣列的形貌有很大的影響。進(jìn)一步地，我們將該陣列直接應(yīng)用于超級(jí)電容器電極，研究MnO2納米片陣列的贗電容性能。該電極表現(xiàn)出較高的比容量（2.16 F cm-2，在電流密度為5 mA cm-2下）和較好的倍率性能，這歸因于有序的陣列結(jié)構(gòu)和MnO2納米片陣列超薄片層與碳布之間的協(xié)同作用。3000次充放電循環(huán)后，M

9、nO2納米片陣列電極的循環(huán)保持率為61.4%。具有高比表面積的MnO2納米片和高度有序的陣列結(jié)構(gòu)，與柔性碳布基底相結(jié)合，為柔性電容器的構(gòu)建和發(fā)展提供了良好的材料基礎(chǔ)。
　　（5）通過“兩步法”水熱反應(yīng)，一種新穎的核殼復(fù)合結(jié)構(gòu) NiMoO4@MnO2陣列在碳布上直接合成，并研究其超電容性能。NiMoO4納米線陣列和MnO2薄納米片的協(xié)同作用，大大提高了電容性能。NiMoO4@MnO2陣列在電流密度為8 mA cm-2時(shí)，比容量為3.