Fe2O3/碳纳米管复合薄膜的可控制备及其电化学性能研究

摘要

碳纳米管具有许多独特的性能，如高的比表面积、热导性、机械性能、电子迁移率和稳定的循环性能，可广泛作为电极材料用于锂离子电池、超级电容器、太阳能电池等。然而，碳纳米管的理论比容量只有372mAh/g，不能完全满足现在材料对于高功率和高能量密度的要求，因此开发性能更好的新型储能材料成为重中之重。到目前为止，已有多种复合材料被报道，如聚合物、氧化物等被引入碳纳米管中，从而提高材料的比容量。在各种过渡金属氧化物中，氧化铁由于成本低、资源丰富、无污染和高的理论比容量而被认为是很有潜力的阳极材料。
　　本文中，我们通过一个简单且可控的方法制备出负载量可调节的Fe2O3/单壁碳纳米管复合薄膜，Fe2O3纳米颗粒均匀的分布在高导电的单壁碳纳米管网络中。采用化学气相沉积法制备单壁碳纳米管薄膜，通过调节反应源中二茂铁的含量来控制薄膜中纳米Fe颗粒的含量，然后在预定温度下退火处理使得Fe颗粒生成Fe2O3颗粒。Fe2O3的负载量可通过改变退火温度来调节，在600℃下，Fe2O3的含量达到96％，复合薄膜仍然可以保持完好的网络结构。此外，该复合薄膜不需要任何添加剂和粘合剂，可直接作为电极材料，并且可以根据器件的要求裁剪为所需的形状，表现出高的存储容量。
　　复合薄膜作为超级电容器的电极材料，随着退火温度的升高，Fe2O3含量增加，复合薄膜的比电容提高。其中600℃退火得到的复合薄膜在三电极体系，2mV/s的扫描速率下质量比电容为1204.4F/g，在20mV/s下质量比电容仍然高达1144.6F/g。在5A/g的电流密度下进行5000次恒流充放电循环，质量比电容保持率为62％。
　　此外，复合薄膜作为锂离子电池的阳极材料，展现出良好的储锂性能，在200mA/g的电流密度下循环100次比容量为1006.6mAh/g，在5A/g下可达384.9mAh/g，在2A/g下循环600次放电比容量仍可达567.1mAh/g，显示出优异的倍率性能和循环稳定性。这些结果表明通过我们的方法得到的高负载的Fe2O3/SWNT复合薄膜在储能器件中具有应用潜力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 碳纳米管概述

1．1．1 碳纳米管的分类

1．1．2 碳纳米管的合成

1．1．3 碳纳米管的性能

1．2 碳纳米管在超级电容器中的应用

1．2．1 超级电容器储能机制

1．2．2 碳纳米管及其复合材料用作超级电容器电极

1．3 碳纳米管在锂离子电池中的应用

1．3．1 锂离子电池储能机制

1．3．2 碳纳米管及其复合材料用作锂离子电池电极

1．4 本文研究内容与意义

2 实验仪器、材料及方法

2．1 概述

2．2 实验药品及仪器

2．2．1 药品

2．2．2 仪器

2．3 材料主要表征技术

2．3．1 扫描电子显微镜

2．3．2 透射电子显微镜

2．3．6 热重分析

2．3．7 比表面积分析

2．4 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜的性能测试

2．4．1 超级电容器的性能测试

2．4．2 锂离子电池的性能测试

2．5 本章小结

3 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜的制备与表征

3．1 引言

3．2 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜的制备

3．3 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜的结构与形貌表征

3．3．1 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜的形貌表征

3．3．2 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜的热重分析

3．3．3 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜的拉曼光谱分析

3．3．4 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜的X射线衍射分析

3．3．5 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜的X射线光电子能谱分析

3．3．6 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜的比表面积分析

3．4 本章小结

4 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜超级电容器

4．1 引言

4．2 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜超级电容器的组装

4．3 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜超级电容器的电化学性能研究

4．3．1 不同退火温度对复合薄膜电化学性能的影响

4．3．2 不同电解液对复合薄膜电化学性能的影响

4．4 本章小结

5 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜锂离子电池

5．1 引言

5．2 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜锂离子电池的组装

5．3 氧化铁／单壁碳纳米管复合薄膜锂离子电池的电化学性能研究

5．3．1 循环伏安测试

5．3．2 不同倍率测试

5．3．3 恒流充放电测试

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

个人简历与研究成果

致谢