过渡金属氧族化合物的制备及超级电容器性能研究

摘要

超级电容器是一种可以将化学能转换成电能的装置，具有循环寿命长、功率密度高、维护成本低、绿色环保等特点。碳材料、过渡金属氧化物材料和导电聚合物材料是常用的电极材料，其中过渡金属化合物类电极材料不仅可以提供较高的比容量、循环性能也非常优异。虽然大部分过渡金属材料都已被广泛研究，但是开发新型的电极材料和合理的构筑电极的微观结构被认为是很有前途的研究方向。本文主要针对过渡金属元素Cu、Ni、Cd的相关氧化物，硫化物和硒化物做了以下研究: 在铜片基底上原位刻蚀出Cu(OH)2纳米线结构，考察了刻蚀时间对反应产物的微观结构的影响，当反应时间为30min时，在铜片表面获得均匀致密相互交叉的Cu(OH)2纳米线结构，长度约为4.6μm，直径约为330nm，电化学测试的结果表明，此时，Cu(OH)2纳米线的比容量是最高的，可以达到750F g-1。另外，还采用简单的一步水热无模板法，制备了自组装的Cu2O空心球结构，球的直径约为2.5μm，是由厚度为50nm的纳米片组成的，这种空心球的结构可以提高活性材料的利用率，提升电极材料的超级电容器性能，该电极在电流密度为5mAcm-2时，比容量为1075F g-q。 与O元素同主族的S和Se元素越来越引起人们的关注，因为其对应的过渡金属化合物由于良好的导电性体现了优异的超级电容器性能。仍然采用原位刻蚀的方法，在泡沫铜的表面直接生长CuS(1＜x＜1.92)。SEM，XRD等结果表明活性材料是由直径为280nm的Cu1.92S的纳米棒和直径为80nm的CuS为纳米带组成的，由于复合材料的协同作用和分级的纳米结构，使得本身是电子良导体的CuxS电极具备优异的超级电容器性能:在电流密度为5mA cm-2时的容量为1122F g-1，恒电流充放电循环10000次后，容量也可以保持初始容量的85％。除此之外，还通过一步水热的方法直接在泡沫镍基底上生长β-Cu2Se，并研究了β-Cu2Se的成核和生长的过程，并对其超级电容器性能进行了系统的研究。 镍基超级电容器电极材料被广泛研究，具有超高的比容量，通过合理的构筑纳米结构，是进一步改善其储能性能的有效策略。首次以ZnO为造孔剂，在泡沫镍上直接生长的超薄Ni(OH)2的纳米片上造出了直径约为6nm的孔结构，有效增加活性材料的利用率，相互交叉的纳米片也创造了丰富的通道，供电解液离子扩散，使得即使在负载量高达10mg的电极依然体现了卓越的储存电荷的能力:在电流密度为5mA cm-2时，比容量为2258F g-1，即使在100mAcm-2的电流密度下，依然可以达到900F g-1的比容量。还构筑了NiOOH的壳核结构，以铜片原位刻蚀的Cu(OH)2纳米线作为核体材料，然后，通过化学沉积的方法，在其表面负载80nm厚的刺状的NiOOH，这种三维的Cu(OH)2@NiOOH的壳核结构可以大大增加电极和电解液的接触面积，由核体材料提供快速的电子转移，由壳体材料发生大量的氧化还原反应，10mA cm-2的电流密度下，体现了2609F g-1。 镉基氢氧化物在电池领域有很广泛的应用，Cd(OH)2也被报道有着优异的超级电容器性能，但是并未有人研究CdS的储能性能。采用简单的水热法在泡沫镍上直接生长多孔的纯相CdS微米球，直径约为2μm，并且是由5nm的纳米颗粒堆积而成，没有使用导电剂粘结剂的电极结构，本身固有的良好的导电性和多孔的结构确保了电极的良好的电化学性能，电流密度为2mA cm-2时，比容量为909F g-1，电流密度扩大25倍时，比容量仍保持88％。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2超级电容器概述

1．2．1超级电容器的结构

1．2．2超级电容器的原理和分类

1．2．3超级电容器的特点

1．3超级电容器电极材料的种类及研究进展

1．3．1碳材料

1．3．2导电聚合物材料

1．3．3过渡金属氧族化合物

1．3．4复合电极材料

1．4超级电容器的分类及研究进展

1．4．1对称型超级电容器

1．4．2非对称型超级电容器

1．4．3混合型超级电容器

1．5超级电容器的研究现状和应用

1．6本论文选题意义及主要研究内容

1．6．1研究的意义

1．6．2主要内容

第2章实验材料及研究方法

2．1实验试剂与原料

2．2实验仪器与设备

2．3材料的表征方法

2．3．1 X射线衍射(XRD)

2．3．2扫描电子显微镜(SEM)

2．3．3 X射线能谱仪(EDX)

2．3．4透射电子显微镜(TEM)

2．3．6 X射线光电子能谱法(XPS)

2．4电化学测试方法

2．4．1循环伏安法(CV)

2．4．2恒电流充放电测试(GCD)

2．4．3电化学交流阻抗法(EIS)

2．3本章小结

第3章纳米结构铜(氢)氧化物的制备及其超级电容器性能研究

3．1．1引言

3．1．2实验部分

3．1．3结果与讨论

3．2自组装微米空心球氧化亚铜的制备及其超级电容器性能的研究

3．2．1引言

3．2．2实验部分

3．2．3结果与讨论

3．3本章小结

第4章纳米结构铜硫族化合物的制备及其超级电容器性能研究

4．1麦穗状铜硫化物的制备及其超级电容器性能研究

4．1．1引言

4．1．2实验部分

4．1．3结果与讨论

4．2硒化亚铜纳米线的制备及其超级电容器性能研究

4．2．1引言

4．2．2实验部分

4．2．3结果与讨论

4．3本章小结

第5章纳米结构镍氢氧化物的制备及其超级电容器性能研究

5．1．1引言

5．1．2实验部分

5．1．3结果与讨论

5．2纳米刺状羟基氧化镍的制备及其超级电容器性能研究

5．2．1引言

5．2．2实验部分

5．2．3结果与讨论

5．3本章小结

第6章多孔微米球状硫化镉的制备及其超级电容器性能研究

6．1引言

6．2实验部分

6．2．1正极材料CdS／NF的制备

6．2．2电化学测试

6．3结果与讨论

6．3．1活性材料的表征

6．3．2 CdS／NF电化学性能

6．3．3不对称电容器CdS／NF／／AC的电化学性能

6．4本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文和取得的成果

致谢