核壳纳米材料的构筑及其用于超级电容器电极材料的研究

摘要

随着化石能源的日渐枯竭，加强对可再生能源的开发利用势在必行。想要实现对可再生能源的有效利用，必须开发出环保高效的储能装置。超级电容器作为一种介于传统电容器和化学电池之间的新型高效储能装置，其能量密度比传统电容器更高，功率密度也要优于化学电池。此外，超级电容器还具有循环使用寿命长、绿色环保、安全性高等优点。作为超级电容器的重要组成部分，电极材料对超级电容器性能的提升起着决定性的作用。本文的研究重点是利用水热法、电化学沉积法和共沉淀法，在不同的基底上构筑核壳结构金属氧化物，通过合理的结构来提高电极材料的电化学性能。
　　采用两步水热法在碳球表面原位合成核壳结构 MnO2纳米线（MnO2-MnO2/C），这种独特的纳米核壳结构极大地增加了MnO2的比表面积，有效地减少了电极反应过程中离子扩散和电荷转移阻抗。同时，核壳MnO2纳米线之间相互交联，所形成的稳定结构使复合电极材料具有优良的循环稳定性。电化学测试结果表明：MnO2-MnO2/C复合电极具有良好的倍率特性和可逆性，比容量可以达到225 F/g，是 MnO2/C电极比容量的2.1倍，经过5000次循环后仍能保持初始容量的90％。
　　通过水热法和电沉积法在泡沫镍基底上构筑了三维核壳 NiCo2O4纳米线（NiCo2O4-NiCo2O4/NF）。复合后的核壳电极材料不但可以缩短离子的扩散路径，同时也为电极反应提供了更多的电化学活性位点，表现出优异的电化学性能，其比电容可以达到2041 F/g，并且具有良好的倍率特性和卓越的循环稳定性（在50 mA/cm2电流密度下循环3000次后的容量为最大容量的85%）。
　　以碳纤维纸（CFP）作为柔性基底，通过水热法制备NiCo2O4纳米线，研究了不同反应时间下NiCo2O4纳米线在碳纸基底上的生长情况，确定最佳反应时间。将生长在碳纸基底上的NiCo2O4纳米线作为骨架，利用简单快速的共沉淀法在NiCo2O4纳米线上继续沉积一层NiCo2O4纳米片，成功地在柔性基底上构筑一种核壳结构的NiCo2O4纳米线(NiCo2O4-NiCo2O4/CFP)。核壳结构 NiCo2O4可以提高电极材料的利用率，有效地提升电极的赝电容特性，同时具有良好的循环寿命（1000次循环后的比容量约为初始容量的92%）。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器的发展历程

1.3 超级电容器分类

1.4 超级电容器的特点

1.5 超级电容器的应用

1.6 超级电容器的电极材料及其研究进展

1.7 纳米材料在超级电容器中的应用

1.8 本论文主要内容

第2章 实验材料及表征方法

2.1 实验材料

2.2 实验仪器设备

2.3 实验表征方法

2.4 电化学性能测试

2.5 本章小结

第3章 碳球基底原位生长核壳MnO2纳米线及其电化学性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 泡沫镍基底生长核壳NiCo2O4纳米线及其电化学性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 柔性基底生长核壳NiCo2O4纳米线及其电化学性能研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢