电沉积法制备镍、锰氧化物及其超级电容性能的研究

摘要

论文中综述了超级电容器的国内外现状及超级电容器电极材料的最新研究进展,并且制备了超级电容器电极材料,即氧化镍和二氧化锰薄膜电极。以氧化镍和二氧化锰作为超级电容器电极材料,具有可快速高效放电、使用寿命长、温度宽和无环境污染等优点。因此,本文采用简单的电沉积方法,在三维泡沫镍基底上制备氧化镍和二氧化锰纳米薄膜,并将其直接作为超级电容器电极材料,结合多种材料研究方法和电化学测试手段,系统研究了薄膜的结构和电化学性能以及沉积条件与电化学性能之间的关系。具体开展的研究内容如下:
　　 1.以泡沫镍为基底,利用阴极电沉积法制备了三维网状结构的NiO薄膜,系统研究了该薄膜的结构、形貌特征、孔径分布及形成机理,考察了沉积条件如沉积质量和沉积电压对薄膜形貌和电化学性能的影响。研究结果表明:制备的NiO薄膜不仅具有完整均一的三维网状结构,而且具有较高的比表面积,孔径主要分布在8～11 nm左右,比表面积为142 m2／g。这种特殊的三维网状结构使得NiO薄膜孔隙率增加,渗透性得到改善,有利于促使电解液中的活性离子扩散到电极表面和体相当中,发生氧化还原反应,产生大的法拉第赝电容。同时,发现沉积电位和沉积质量的变化直接影响着薄膜的形貌和电化学性能,当沉积电位为-0.7 V,沉积质量为0.83 mg时NiO薄膜具有最高比容量,在3 A／g的放电电流下其比电容可达1361 F／g,这是目前该材料报道的最高比容量。
　　 2.以泡沫镍为基底,利用阳极电沉积法制备了MnO2薄膜,系统研究了该薄膜的结构、组成和形貌,结合单因素实验和正交试验方法,考察了电沉积中工艺参数对MnO2薄膜电化学性能的影响。研究结果表明:MnO2薄膜结构疏松,呈相互交错的棒状结构,使得孔隙率增加,从而增大了薄膜的比表面积。通过正交实验得出了最优电沉积工艺:沉积电位为0.5 V,醋酸锰浓度为0.25 M,泡沫镍规格为420 g／m2时制备的MnO2薄膜具有最高比容量,在5.5 A／g的放电电流下其最大比电容为664 F／g,并具有优异的大功率性能和循环稳定性。
　　 3.本文对恒电位沉积和循环伏安沉积两种方法制备的MnO2薄膜进行了结构测试分析和电化学测试分析。XRD和SEM测试结果表明:两种方法制备的MnO2薄膜结构相似,都为ε-MnO2,但是两者的形貌有很大差异,恒电位法制备的二氧化锰呈棒状,而动电位制备的二氧化锰则呈球状结构。综合循环伏安、恒流充放电、交流阻抗和循环寿命的测试结果表明恒电位法制备的MnO2薄膜具有更好的电化学性能。所以恒电位沉积方法在构建高性能二氧化锰薄膜方面具有一定优势。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器概述

1.2.1 超级电容器的特点

1.2.2 超级电容器的储能机理

1.2.3 超级电容器的电极材料

1.3 氧化镍纳米材料的性质、制备和应用

1.3.1 NiO纳米材料的性质

1.3.2 NiO纳米材料的晶型结构

1.3.3 NiO纳米材料的制备方法

1.3.4 NiO纳米材料的应用

1.3.5 NiO纳米材料作为超级电容器材料的前景和展望

1.4 二氧化锰纳米材料的性质、制备和应用

1.4.1 MnO2纳米材料的性质

1.4.2 MnO2纳米材料的结构

1.4.3 MnO2纳米材料的制备

1.4.4 MnO2纳米材料的应用

1.5 电沉积法的特点和优缺点

1.6 泡沫镍作为基底材料的优点

1.7 选题思路和主要研究内容

第2章 阴极电沉积制备三维网状结构的氧化镍及其超电容性能的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 基底处理

2.2.2 氧化镍薄膜的制备

2.2.3 电化学测试体系

2.3 结果与讨论

2.3.1 NiO薄膜的制备机理

2.3.2 氢氧化镍前驱体的热重分析

2.3.3 氧化镍薄膜的晶体结构

2.3.4 沉积电压对NiO薄膜形貌的影响

2.3.5 沉积质量对NiO薄膜形貌的影响

2.3.6 三维网状结构氧化镍薄膜的表面形貌

2.3.7 三维网状结构NiO薄膜的形成机理

2.3.8 比表面积和孔径分析

2.4 氧化镍薄膜的电化学性能测试

2.4.1 沉积电压对NiO薄膜电容性能的影响

2.4.2 沉积质量对NiO薄膜电容性能的影响

2.4.3 三维网状结构NiO电极材料的循环伏安测试

2.4.4 三维网状结构NiO电极材料的恒流充放电测试

2.4.5 三维网状结构NiO电极材料的交流阻抗测试

2.4.6 三维网状结构NiO电极材料的循环性能测试

2.5 本章小结

第3章 阳极电沉积法制备二氧化锰纳米薄膜及其超电容性能的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 基底处理

3.2.2 二氧化锰薄膜的制备

3.2.3 电化学测试体系

3.3 结果与讨论

3.3.1 MnO2薄膜的制备机理

3.3.2 MnO2薄膜的晶体结构

3.3.3 MnO2薄膜的红外光谱

3.3.4 MnO2薄膜的表面形貌

3.4 电沉积工艺对二氧化锰电极活性材料超电容特性的影响

3.4.1 沉积质量对比电容量的影响

3.4.2 沉积电压对比电容量的影响

3.4.3 醋酸锰浓度对比电容量的影响

3.4.4 泡沫镍规格对比电容量的影响

3.5 正交实验优化沉积条件

3.6 二氧化锰薄膜的电化学性能测试

3.6.1 MnO2电极材料的循环伏安测试

3.6.2 MnO2电极材料的恒流充放电测试

3.6.3 MnO2电极材料的交流阻抗测试

3.6.4 MnO2电极材料的循环性能测试

3.7 结论

第4章 动电位和恒电位沉积法制备的二氧化锰性能对比研究

4.1 引言

4.2 动电位二氧化锰薄膜的制备

4.3 XRD衍射结果及其分析

4.4 FE-SEM测试结果及分析

4.5 电化学性能对比

4.5.1 循环伏安曲线分析

4.5.2 恒流充放电测试分析

4.5.3 大电流充放电性能测试分析

4.5.4 交流阻抗测试分析

4.6 结论

第5章 结论与展望

5.1 本文结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录