聚吡咯基混合金属氧化物复合材料的电化学性能研究

摘要

超级电容器因其具有功率密度高、循环寿命长、可快速大电流充放电、可逆性好等优异特性，已成为世界各国新能源领域的研究热点之一。与传统的超级电容器电极材料（如:IrCl3、RuCl3、RuO2、MnO2、In2O3等）相比，导电聚合物聚吡咯（polypyrrole，简写为PPy）具有柔韧性好、电导率高、制备方法简单、条件易于控制，以及可逆的氧化还原反应行为、良好的生物相容性和环境稳定性。PPy作为备受关注的超级电容器电极活性材料，已经在众多领域得到了广泛应用。然而，当其用于电极材料进行充电/放电的过程中，高分子链收缩/膨胀致使分子链的断裂、破坏，容易引起活性物质的减少，导致电容器的载能量和寿命下降，表现出较差的循环稳定性能，极大的限制了该材料的应用。
　　基于此，本文选择将聚吡咯与具有多元价态、高电容、优秀循环稳定性的混合金属氧化物进行复合，有望实现聚吡咯基复合电极材料高比电容、高能量密度、良好循环稳定性等性能的统一。研究了复合材料形貌、混合金属氧化物离子种类对材料电化学性能的影响，通过分析其电化学反应机制考察了结构与性能的构-效关系。主要结果如下:
　　首次制备了NiMoO4/PPy核-壳结构超级电容器电极材料。NiMoO4/PPy复合电极表现出比NiMoO4及PPy单电极更高的比电容、倍率性能及循环稳定性能。该复合电极在电流密度为5 mA/cm2时，比电容可达1389 F/g，面电容高达2.98 F/cm2。在高电流密度8 mA/cm2时，循环充电/放电1000次，NiMoO4/PPy复合电极比电容保留为最初的71％，明显高于PPy单电极的循环稳定性(44％)。阻抗谱分析得知，NiMoO4/PPy复合电极相对于单电极具有更小的电荷转移电阻。
　　成功的在碳布上合成出NiCo2O4/PPy核-壳复合材料。该复合电极材料在电流密度为2 mA/cm2时比电容可达1328 F/g。在展现出优异的电化学性能的同时，其循环稳定性得到了大幅提升。在10 mA/cm2的高电流密度下循环充电/放电5000次，比电容保持初始值的85％，当电流密度从2 mA/cm2升至20 mA/cm2时，比电容保持率仍为80.4％。并且NiCo2O4/PPy复合电极的比电容、倍率性能及循环稳定性都优于NiCo2O4和PPy单电极。
　　首次设计制备了具有三维分级纳米结构的ZnCo2O4/PPy超级电容器电极材料。通过电化学测试显示，当电流密度保持2 mA/cm2时，得到了高比电容1559 F/g;在高电流密度10 mA/cm2时，循环充电/放电5000次，比电容保留率高达90％。当电流密度从2增加到20 mA/cm2时，ZnCo2O4/PPy的比电容保持率成功提升到89％。展现出比ZnCo2O4和PPy单电极更优秀的比电容、面电容、倍率性能及循环稳定性能。探讨并揭示了影响该复合电极电化学性能的关键因素。双电极测试系统中，在电流密度为2 mA/cm2、功率密度为0.2 kW/kg时能量密度高达30.9 Wh/kg，具有良好的应用前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 超级电容器的研究背景

1．1．1 超级电容器简介与发展

1．1．2 超级电容器的分类及原理

1．1．3 超级电容器的研究现状与应用

1．2 聚吡咯材料的研究背景

1．2．1 聚吡咯材料的简介

1．2．2 聚吡咯材料的研究现状

1．3 混合金属氧化物材料及其纳米材料的研究现状

1．3．1 混合金属氧化物材料的简介

1．3．2 混合金属氧化物材料的研究现状

1．4 本文的选题意义及研究内容

1．4．1 选题意义

1．4．2 研究内容

1．4．3 课题来源

第2章 实验部分

2．1 实验仪器

2．1．1 形貌表征

2．1．2 结构表征

2．1．3 电化学性质测试

2．2 材料的制备

2．2．1 NiMoO4／polypyrrole核-壳纳米结构的合成

2．2．2 NiCo2O4／polypyrrole核-壳纳米结构的合成

2．2．3 ZnCo2O4／polypyrrole复合纳米结构的合成

2．3 本章小结

第3章 NiMoO4／polypyrrole结构的制备及其电化学性能分析

3．1 引言

3．2 NiMoO4／polypyrrole结构的制备

3．3 NiMoO4／polypyrrole的电化学性质测试

3．4 NiMoO4／polypyrrole形貌和结构的表征

3．5 NiMoO4／polypyrrole的电化学性质分析

3．6 本章小结

第4章 NiCo2O4／polypyrrole结构的制备及其电化学性能的分析

4．1 引言

4．2 NiCo2O4／polypyrrole结构的制备

4．3 NiCo2O4／polypyrrole的电化学性质测试

4．4 NiCo2O4／polypyrrole形貌和结构的表征

4．5 NiCo2O4／polypyrrole的电化学性质分析

4．6 本章小结

第5章 ZnCo2O4／polypyrrole结构的制备及其电化学性能的分析

5．1 引言

5．2 ZnCo2O4／polypyrrole结构的制备

5．3 ZnCo2O4／polypyrrole的电化学性质测试

5．4 ZnCo2O4／polypyrrole形貌和结构的表征

5．5 ZnCo2O4／polypyrrole的电化学性质分析

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢