二元金屬氧化物的改性及其超級電容器性能的研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展,輕便、柔性器件特別受到人們青睞。柔性器件，特別是柔性儲能器件已經(jīng)成為研究熱點。碳布有柔性、耐溫性、循環(huán)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性等良好特性。碳布作為基底是儲能器件良好選擇。金屬氧化物（AxOy）相比導(dǎo)電聚合物有高電容性能、資源豐富、價格低廉和制備簡單等優(yōu)點。金屬氧化物電極材料是目前研究的重點和難點。分為三種類型：
　　(1)單元金屬氧化物，例如：NiO（氧化鎳），Co3O4（四氧化三鈷），MnO2（二氧化錳）, RuO2（二氧

2、化釕）等；
　　(2)二元金屬氧化物，例如：NiCo3O4（鈷酸鎳）, NiMoO4（鉬酸鎳）, CoMoO4（鉬酸鈷）等；
　　(3)復(fù)合金屬氧化物，例如：Co3O4@NiMoO4（四氧化三鈷@鉬酸鎳）,
　　論文以生長在碳布上鉬酸鎳（β-NiMoO4）納米線陣列，復(fù)合碳/鈦酸鈉（C/Na2Ti3O7）和復(fù)合碳/鈦酸鉀（C@K2Ti6O13）電極材料為研究對象，進行改性、表征、電化學(xué)測試等方面研究。研究內(nèi)容和成果如下

3、：
　?、呕谏L在碳布上β-NiMoO4納米線陣列的3D固態(tài)不對稱超級電容器
　　5％KMnO4(高錳酸鉀)溶液處理的碳布、NaMoO4·2H2O（二水鉬酸鈉）和Ni(NO3)2·6H2O（六水硝酸鎳）為原料，采用水熱法制備以碳布為基底的β-NiMoO4納米線陣列，利用XRD（X射線衍射分析）、FESEM（場發(fā)射掃描電子顯微鏡）、EDS（X射線能譜色散分析）和 TEM（透射電子顯微鏡）對材料的成分、形貌、尺寸分析。實驗證明

4、：生長在碳布上的β-NiMoO4納米線陣列，長30 nm、寬150 nm。
　　生長β-NiMoO4納米線陣列的碳布作為正極，碳線纏繞碳棒（β-NiMoO4生長在碳線上）作為負極，制作非對稱復(fù)合超級電容器。進行循環(huán)伏安法（CV）、充放電法(GCD)、阻抗測試（EIS）和穩(wěn)定性等電化學(xué)性能測試，實驗表明：在電流密度為0.25 A/g時比電容達414.7 F/g。最大功率密度達1100 W/kg，最高能量密度達36.86 Wh/Kg。

5、電容器在循環(huán)6000次后其比電容依然達其原始比電容的65.96%。單個電容器點亮LED燈260秒。
　　⑵碳改性的Na2Ti3O7·2H2O作為氧化還原材料的高性能超級電容器
　　NaOH(氫氧化鈉)、TiO2（二氧化鈦）為原料，采用水熱法在180o生長12小時，制備白色絮狀物Na2Ti3O7·2H2O納米帶。利用XRD、EDX和TGA（熱重量分析）等表征方法，實驗表明：樣品有層狀結(jié)構(gòu)Na2Ti3O7·2H2O納米帶（Na-

6、TNBs）。由A2TinO2n+1·nH2O(A=Li,K,Na)（鈦酸鹽族）使離子快速通過，對電子有阻礙作用即導(dǎo)電性比較差，因此本實驗利用酒精燈碳烤法，將碳顆粒吸附在Na2Ti3O7·2H2O表面，提高電子的遷移率。采用FESEM、TEM、EDX-Mapping等，對改性樣品表征。實驗表明：Na2Ti3O7·2H2O納米帶表面吸附均勻分散的碳材料（C/Na-TNBs），納米帶寬150 nm，長2μm。
　　滴定方法將C/Na-T

7、NBs復(fù)合材料沉積在碳布基底上，并為固態(tài)超級電容器的電極材料，采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）封裝。通過CV、GCD、EIS、穩(wěn)定性測試等電化學(xué)性能測試。實驗表明：在掃描速率為25 mV/S時，器件比電容達459.71 F/g，功率密度達2.13 KW/Kg，能量密度達33.2 Wh/Kg。器件在6000次循環(huán)后達原始值74.3%。三個串聯(lián)固態(tài)超級電容器充電點亮100盞LED燈十分鐘。
　?、腔谕ǖ澜Y(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性能C@K2Ti6O

8、13的超級電容器
　　KOH（氫氧化鉀）、TiO2（二氧化鈦）為原料，采用水熱法在220℃生長24 h制備白色粉末狀K2Ti6O13納米線（TNBs）。由于A2TinO2n+1·nH2O(A=Li,K,Na)材料能使離子快速通過，對電子有阻礙作用即導(dǎo)電性比較差，因此本實驗利用酒精燈碳烤方法，將碳顆粒吸附在K2Ti6O13表面（C@TNBs），以使電子能快速通過，增強其導(dǎo)電性。利用XRD、PDF、EDS、FESEM、TEM對材料的成

9、分、形貌等分析。納米線長500 nm，寬60 nm。
　　將C@TNBs沉積在碳布基底上制成固態(tài)超級電容器，采用PDMS進行封裝。采用CV、GCD、EIS、穩(wěn)定性測試。實驗表明：超級電容器器件充放電循環(huán)10000次后有82.7%的比電容剩余，故器件有良好穩(wěn)定性。通道結(jié)構(gòu)縮短離子的傳播路徑，表層吸附的碳材料有利于電子快速遷移，這種協(xié)同作用大大加強材料電容性能。器件比電容達301 F/g，功率密度達1047 W/Kg，能量密度達26.