Ni(OH)2及其石墨烯復(fù)合物的制備與電化學(xué)性能研究.pdf

1、由于能源需求的日益增長(zhǎng)和對(duì)空氣污染、全球變暖問(wèn)題等的深切關(guān)注，人們?cè)絹?lái)越希望研制出能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換的替代能源裝置。與鋰離子電池和傳統(tǒng)的介質(zhì)電容器相比，超級(jí)電容器可以提供更高的能量和功率密度，使其成為非常重要的儲(chǔ)能裝置。其中，電極材料的優(yōu)劣是影響超級(jí)電容器能量輸出的關(guān)鍵。本文通過(guò)不同的方法制備了分等級(jí)β-Ni(OH)2花狀微球、分等級(jí)β-Ni(OH)2空心微球、graphene/Ni(OH)2復(fù)合物及3D graphene/Ni(OH)2復(fù)

2、合物一系列不同形貌的電極材料。采用了XRD、SEM、TEM、Raman、XPS等測(cè)試手段對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征，分析其晶型、組成及形貌等，并初步探討了四種產(chǎn)物的合成機(jī)理。通過(guò)在三電極體系下對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行循環(huán)伏安、恒電流充放電和交流阻抗等測(cè)試考查其電化學(xué)性能。
　　采用L-arginine輔助水熱法制備分等級(jí)β-Ni(OH)2花狀微球，SEM圖顯示β-Ni(OH)2微球直徑范圍為800 nm-3μm，由統(tǒng)一納米片彼此交錯(cuò)層層組裝而成。由于L-a

3、rginine具有協(xié)調(diào)作用，使得Ni(OH)2納米片在生長(zhǎng)過(guò)程中免于團(tuán)聚，是形成分等級(jí)花狀微球的關(guān)鍵因素。將該電極材料進(jìn)行循環(huán)伏安、恒電流充放電和交流阻抗測(cè)試，結(jié)果表明分等級(jí)β-Ni(OH)2花狀微球在電流密度為5 mA·cm-2下的最大比電容為1048.5 F·g-1，經(jīng)500次充放電循環(huán)后比電容僅衰減9.2％。
　　采用L-lysine輔助水熱法制備分等級(jí)β-Ni(OH)2空心微球，L-lysine作為修飾劑改變了晶體生長(zhǎng)方向

4、，從而改變了產(chǎn)物的形貌，說(shuō)明L-lysine對(duì)于形成β-Ni(OH)2分等級(jí)空心結(jié)構(gòu)起到了決定性作用。采用XRD、TEM對(duì)不同反應(yīng)時(shí)間的產(chǎn)物進(jìn)行了表征，結(jié)果顯示β-Ni(OH)2是由大量納米片在氨氣氣泡表面自組裝成的分等級(jí)空心微球，相互交叉的納米片間產(chǎn)生了許多孔隙結(jié)構(gòu)，并探討了其形成機(jī)理。由于β-Ni(OH)2獨(dú)特的空間構(gòu)型，增加了其電活性表面積，縮短了電解質(zhì)離子擴(kuò)散路徑，大幅提高了產(chǎn)物的電化學(xué)性能。β-Ni(OH)2空心微球在6 mo

5、l·L-1KOH電解液中當(dāng)電流密度為5 mA·cm-2時(shí)，表現(xiàn)出的最大比電容為1398.5 F·g-1，在大電流密度50mA·cm-2下，經(jīng)過(guò)1000次充放電循環(huán)后電容損失率僅為8%，顯示出良好的循環(huán)性能，說(shuō)明該空心微球產(chǎn)物是一種理想的超級(jí)電容器電極材料。
　　使用葡萄糖還原 GO制備單層石墨烯納米片，石墨烯表面上剩余的含氧官能團(tuán)為Ni2+的吸附提供了適當(dāng)?shù)幕钚晕稽c(diǎn)，使得 Ni(OH)2均勻負(fù)載到石墨烯表面上，形成graphene

6、/Ni(OH)2復(fù)合物。通過(guò) XRD、SEM、TEM分別對(duì)graphene/Ni(OH)2復(fù)合物、純graphene及純Ni(OH)2進(jìn)行表征，結(jié)果顯示復(fù)合物中的Ni(OH)2納米晶尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純Ni(OH)2顆粒，從而增加了與電解液的接觸面積，這是由于graphene的引入提高了復(fù)合物的成核速率造成的。另外，Ni(OH)2納米粒子均勻負(fù)載到graphene表面上，作為阻隔劑可以有效阻止石墨烯片堆疊，提升了石墨烯片的利用率，為縮短離子擴(kuò)

7、散路徑提供了開放式的納米通道。當(dāng)電流密度為5 mA·cm-2時(shí)，graphene/Ni(OH)2復(fù)合物獲得了超高的比電容值1985.1 F·g-1，明顯優(yōu)于純graphene(176.2 F·g-1)和純Ni(OH)2(1054.3F·g-1)。在30 mA·cm-2的大電流密度下，經(jīng)過(guò)500次的恒電流充放電后，其比電容值仍保持初始電容的93.5%，表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　采用簡(jiǎn)單、可控的電化學(xué)還原法將Ni foam表面上

8、包覆的GO還原成graphene，經(jīng)過(guò)鹽酸刻蝕后制得3D graphene，通過(guò)水熱法在其表面原位生長(zhǎng)Ni(OH)2納米片，成功制備了3D graphene/Ni(OH)2復(fù)合物。3D graphene完整保持了Ni foam的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，比表面積大，導(dǎo)電性強(qiáng)，與Ni(OH)2納米片二者間發(fā)生協(xié)同效應(yīng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。3D graphene/Ni(OH)2復(fù)合物作為獨(dú)立支撐的電極材料，無(wú)需添加粘合劑，使得整

9、體電極具有較低的內(nèi)阻和較快的電子傳輸能力。在2 mol·L-1的KOH水溶液中，當(dāng)電流密度為0.5 A·g-1時(shí)，該復(fù)合物的最大比電容為183.1 F·g-1(基于整體電極質(zhì)量)，明顯高于Ni foam/Ni(OH)2(32.8 F·g-1)。當(dāng)功率密度為59.3 kW·kg-1時(shí)，3D graphene/Ni(OH)2復(fù)合物呈現(xiàn)出高能量密度為6.9 Wh·kg-1，經(jīng)過(guò)1000次充放電循環(huán)后，其電容值仍保持初始電容的91.2%，表現(xiàn)出