納米Mn、Fe、Co氧化物的制備及其電化學(xué)電容性能的研究.pdf

1、超級(jí)電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電速率快、使用溫度范圍寬以及對(duì)環(huán)境危害小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)、電子通訊設(shè)備和不間斷電源等領(lǐng)域。電極材料是影響超級(jí)電容器性能的最主要因素之一，為了滿(mǎn)足當(dāng)今社會(huì)對(duì)超級(jí)電容器高能量密度、高效率和低成本的需求，大量的研究集中在構(gòu)造具有特殊納米結(jié)構(gòu)的電極材料。納米結(jié)構(gòu)材料因其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，可以有效的提高超級(jí)電容器的電化學(xué)性能。本論文中采用簡(jiǎn)單的方法制備了納米結(jié)構(gòu)MnO2/C/TiO2、PPy

2、/MnO2/C/TiO2、RGO/MnO2/C/TiO2、FeOOH/Ag/ZnO和Co(OH)2電極材料，通過(guò)、XRD、XPS、FT-IR、Raman、SEM和TEM等表征確定了物質(zhì)形貌和結(jié)構(gòu)，并結(jié)合循環(huán)伏安、恒流充放電和交流阻抗等測(cè)試研究了材料的電化學(xué)電容性能。
　　首先，通過(guò)丙酮高溫?zé)岱纸庠赥i板上直接生長(zhǎng)了C/TiO2納米線(xiàn)陣列，并以C/TiO2為基體通過(guò)恒電流沉積MnO2制備了MnO2/C/TiO2。花狀MnO2均勻的覆

3、蓋在C/TiO2基體上并保持著C/TiO2基體的納米線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)，MnO2/C/TiO2具有獨(dú)特的殼核結(jié)構(gòu)。在0.5 mol L-1 Na2SO4溶液中，當(dāng)電流密度為1 A g-1時(shí)MnO2/C/TiO2電極的質(zhì)量比容量可達(dá)639 F g-1。當(dāng)電流密度增大到40 A g-1后，MnO2/C/TiO2電極的質(zhì)量比容量仍有93 F g-1。當(dāng)功率密度為500 W kg-1時(shí)，能量密度可達(dá)88.8 W h kg-1。當(dāng)功率密度增大到19800

4、 W kg-1時(shí)，能量密度仍有12.9 W h kg-1。以2 A g-1的電流密度恒電流充放電測(cè)試1000圈以后， MnO2/C/TiO2電極的質(zhì)量比容量為320 F g-1，質(zhì)量比容量的保持率為78.7％。
　　為了提高M(jìn)nO2/C/TiO2電極的電化學(xué)電容性能，用PPy和RGO包覆MnO2/C/TiO2制備了PPy/MnO2/C/TiO2和RGO/MnO2/C/TiO2電極。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，PPy和RGO包覆明顯的提高了

5、MnO2/C/TiO2電極的比容量、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。在0.5 mol L-1 Na2SO4溶液中，當(dāng)電流密度為1 A g-1時(shí)PPy/MnO2/C/TiO2電極的質(zhì)量比容量可達(dá)715 F g-1，比MnO2/C/TiO2電極高76 F g-1。當(dāng)功率密度為500 W kg-1時(shí)，PPy/MnO2/C/TiO2電極的能量密度為99.3 W h kg-1，比MnO2/C/TiO2電極高10.5 W h kg-1。以10 A g-1的

6、電流密度恒電流充放電測(cè)試1000圈以后，PPy/MnO2/C/TiO2和MnO2/C/TiO2電極的質(zhì)量比容量分別為210 F g-1和152 F g-1，質(zhì)量比容量的保持率分別為84.0%和80.9%。在0.5 mol L-1 Na2SO4溶液中，當(dāng)電流密度為1 A g-1時(shí)RGO/MnO2/C/TiO2電極的質(zhì)量比容量可達(dá)822 F g-1，比 MnO2/C/TiO2電極高183 F g-1。當(dāng)功率密度為500 W kg-1時(shí)， R

7、GO/MnO2/C/TiO2電極的能量密度為114.2 W h kg-1，比MnO2/C/TiO2電極高25.4 W h kg-1。以10 A g-1的電流密度恒電流充放電測(cè)試5000圈以后，RGO/MnO2/C/TiO2和MnO2/C/TiO2電極的質(zhì)量比容量分別為246 F g-1和150 F g-1，質(zhì)量比容量的保持率分別為87.4%和79.8%。
　　然后，通過(guò)水熱反應(yīng)在泡沫鎳基體上生長(zhǎng)了ZnO納米棒，并用Ag顆粒對(duì)ZnO

8、納米棒進(jìn)行了修飾，在Ag/ZnO納米棒上電沉積FeOOH得到了FeOOH/Ag/ZnO。Ag顆粒均勻的修飾在 ZnO納米棒上可以有效的改善 FeOOH/ZnO的導(dǎo)電性，從而提高FeOOH/Ag/ZnO電極的電化學(xué)電容性能。在0.5 mol L-1 Li2SO4溶液中，當(dāng)電流密度為1 A g-1時(shí)FeOOH/Ag/ZnO電極的質(zhì)量比容量可達(dá)376.6 F g-1。當(dāng)電流密度增大到10 A g-1后， FeOOH/Ag/ZnO電極的質(zhì)量比容

9、量仍有126.1 F g-1。當(dāng)功率密度為400 W kg-1時(shí)，能量密度為33.5 W h kg-1，當(dāng)功率密度增大到4000 W kg-1時(shí)，能量密度為11.2 W h kg-1。以6 A g-1的電流密度恒電流充放電測(cè)試1000圈以后，F(xiàn)eOOH/Ag/ZnO電極的質(zhì)量比容量保持在127 F g-1左右，質(zhì)量比容量的保持率為70.3%。
　　最后，通過(guò)水熱法在泡沫鎳基體上直接生長(zhǎng)了花苞狀Co(OH)2(Co(OH)2/Ni

10、foam)，這些花苞狀Co(OH)2都是由許多納米棒組成，而納米棒又是由許多小薄片構(gòu)成。BET測(cè)試表明，Co(OH)2的比表面積可達(dá)88.9 m2g-1，孔徑分布主要集中在1~5 nm。在6 mol L-1 KOH溶液中，當(dāng)電流密度為3 mA cm-2(1 A g-1)時(shí)Co(OH)2/Ni foam電極的質(zhì)量比容量可達(dá)2041 F g-1，面積比容量可達(dá)6.12 F cm-2。當(dāng)電流密度增大到60 mA cm-2(20 A g-1)時(shí)

11、， Co(OH)2/Ni foam電極的質(zhì)量比容量仍有811 F g-1，面積比容量可達(dá)2.43 F cm-2。以18 mA cm-2(6 A g-1)的電流密度恒電流充放電測(cè)試1000圈以后，Co(OH)2/Ni foam電極的質(zhì)量比容量為1080 F g-1，質(zhì)量比容量的保持率為72.4%。另外，以Co(OH)2/Ni foam和AC電極組裝的Co(OH)2//AC不對(duì)稱(chēng)電容器，在電流密度為3 mA cm-2時(shí)，質(zhì)量比容量可達(dá)59.

12、2 F g-1，面積比容量可達(dá)1.51 F cm-2。當(dāng)電流密度增大到60 mA cm-2時(shí)，Co(OH)2//AC不對(duì)稱(chēng)電容器的質(zhì)量比容量可達(dá)20.8 F g-1，面積比容量可達(dá)0.53 F cm-2。當(dāng)功率密度為90.6 W kg-1能量密度可達(dá)20.3 W h kg-1，當(dāng)功率密度增大到719.5 W kg-1后，能量密度為2.8 W h kg-1。以18 mA cm-2的電流密度恒電流充放電測(cè)試1000圈以后，Co(OH)2//