Co-CoO基納米復(fù)合材料的制備及其超級電容器性能研究.pdf

1、為了滿足便攜式電子設(shè)備和電動/混合動力汽車日益增長的需求，探索新的電極材料構(gòu)建高性能贗電容器是一個重要的任務(wù)。通常，贗電容器電極材料主要包括氫氧化物((Ni(OH)2，Co(OH)2等）或過渡金屬氧化物(MnO2，RuO2，NiO，Co3O4，CoO，CuO等)，以及導(dǎo)電聚合物（聚苯胺，聚噻吩，聚吡咯等），在電極表面的可逆氧化還原反應(yīng)使其得到高比電容。贗電容器的性能取決于電極的電化學(xué)活性和動力學(xué)，因此，增強(qiáng)的離子和電子在電極和電極/電解

2、質(zhì)界面?zhèn)鬏數(shù)膭恿W(xué)尤為重要。在過渡金屬氧化物中，CoO具有優(yōu)異的化學(xué)和物理性質(zhì)，是理想的電極材料，例如它具超高理論容量，環(huán)境友好性，易合成等特性。目前，在集流體上直接生長一維(1D)CoO陣列結(jié)構(gòu)已被廣泛的研究。這種高孔隙率納米結(jié)構(gòu)以及垂直生長的陣列，為離子和電子在電極中和在電極/電解質(zhì)界面中傳輸提供便利，并且潛在地提高了贗電容性能。然而在許多情況下，測試得到的電容值通常比理論值低得多，因此制備高比電容CoO基超級電容器仍是一個挑戰(zhàn)。研

3、究表明，金屬核-氧化物殼結(jié)構(gòu)的電極材料具有高循環(huán)穩(wěn)定性、高倍率性能、高能量密度和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，但目前關(guān)于CoO包覆金屬核的復(fù)合材料卻鮮有報道。另外，石墨烯(Graphene)是二維平面六角型蜂窩狀薄膜，具有優(yōu)越的穩(wěn)定性和力學(xué)性能，高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。近年來，石墨烯以其優(yōu)異的電學(xué)性能及其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)在電容器的研究中備受關(guān)注。本論文研究圍繞CoO納米材料，成功制備了內(nèi)連接多孔Co/CoO核-殼復(fù)合材料和三維Co/CoO/Graphene復(fù)合

4、材料，并探索了它們的電容性能，主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)用水熱法制備了Co(OH)x(CO3)0.5（2-x）納米線陣列，在N2中退火在鎳網(wǎng)上合成了CoO納米線，在H2中退火獲得內(nèi)部連接的多孔的Co/CoO核-殼結(jié)構(gòu)納米陣列材料。使用XRD、SEM、TEM、HRTEM、HAADF-STEM-EDS、XPS及電化學(xué)測試等手段對材料的晶體結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)性能進(jìn)行研究。所設(shè)計的Co/CoO核-殼納米材料具有以下優(yōu)點(diǎn):(i)

5、與其它研究相比，Co/CoO核-殼結(jié)構(gòu)納米材料的金屬芯取代金屬氧化物芯，加強(qiáng)了電極材料與集流體之間的連接和電接觸，促進(jìn)了電子的傳輸。(ii)用5 nm薄的CoO為殼，較先前的研究中20 nm-30 nm的殼更薄，從而使表面活性物質(zhì)在較大電流密度下反應(yīng)更完全。(iii)與先前復(fù)雜的水熱法和電化學(xué)生長法相比，本文所使用的方法更容易得到核-殼結(jié)構(gòu)，該方法僅需要通過氫氣還原制備Co金屬納米陣列，并在空氣中放置一段時間，獲得所需的Co/CoO核-

6、殼結(jié)構(gòu)。在三電極體系中，Co/CoO表現(xiàn)出低阻抗，5.632 F/cm2的高比電容，較好的循環(huán)穩(wěn)定性(6000次循環(huán)后仍有～81.5％的保留)。將優(yōu)化的Co/CoO核-殼納米結(jié)構(gòu)為正極，活性炭(AC)為負(fù)極，組裝成非對稱的電容器，在功率密度為0.00823 W/cm3時的能量密度為0.00452Wh/cm3，經(jīng)過10000次循環(huán)測試后仍有～73.94％的容量保持。Co/CoO核-殼納米結(jié)構(gòu)突出的電化學(xué)性能遠(yuǎn)高于單純的CoO納米線材料。<

7、br>　　(2)石墨烯具有比表面積高和導(dǎo)電性好等優(yōu)異性質(zhì)，在(1)的研究基礎(chǔ)上，在Co/CoO核-殼納米結(jié)構(gòu)外用循環(huán)伏安法包覆一層石墨烯(Co/CoO/Graphene)。采用Hummer法合成氧化石墨烯，再用電化學(xué)方法在Co/CoO上原位沉積石墨烯納米片，獲得的Co/CoO/Graphene納米花通過Raman、SEM和TEM對其組成及形貌進(jìn)行表征，并研究了電沉積次數(shù)對Co/CoO/Graphene的電容性能的影響。所設(shè)計的Co/Co

8、O/Graphene納米材料具有以下優(yōu)點(diǎn):(i)在Co/CoO電極上原位電沉積石墨烯的方法加強(qiáng)了石墨烯與Co/CoO之間的連接和電接觸。(ii)與先前制備石墨烯的方法相比較，采用Hummer法和電化學(xué)原位沉積制備石墨烯納米片的方法操作簡單，成本低且可控性強(qiáng)。(iii)石墨烯的包覆使電極材料的導(dǎo)電性能更優(yōu)越。結(jié)果表明石墨烯的包覆進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性，在1 mA/cm2電流密度下測得比電容為6.439 F/cm2。將Co/CoO/Gra