FeCo2X4(X=O,S)/聚吡咯杂化材料的制备及其超级电容性能研究

摘要

超级电容器是性能介于电池与普通电容器之间的储能器件。其关键部件电极材料主要组分有碳基材料、金属氧化物和导电高分子。目前单一成分电极材料的主要缺陷是比容量及能量密度偏低。因此，利用有机组分与无机组分之间的协同作用是提高电极材料主要性能指标的有效途径之一。
　　超级电容器的电化学性能与其电极材料的组分、结构形貌具有极大的关系，所以设计合适组分、形貌结构稳定的电极材料是提升超级电容器性能的重要途径。本文通过简单的水热法及原位聚合法，采用形貌结构控制及不同组分合理设计等途径制备了系列FeCo2X4(X=O，S)/聚吡咯杂化材料，系统研究了将其作为无粘合剂电极材料的超级电容性能。主要开展了以下几方面的工作:
　　(1)通过水热法直接在泡沫镍上生长铁钴前驱体，然后通过煅烧将铁钴前驱体转化成铁钴氧化合物，成功制备了生长在泡沫镍上的FeCo2O4纳米花阵列，该材料直接作为电极材料测试其超级电容器性能，获得了较高的比容量:在电流密度为1 mA cm-2时，其比容量达到了1190.47 mF cm-2，当电流密度增加到50 mA cm-2时，其比容量依然保持了原来的61.09％，同时，该电极材料也表现出了良好的电化学循环稳定性，在电流密度为30 mA cm-2下循环2000次，其比容量没有衰减。实验结果表明，由该组分构成的电极材料是一种很有应用前景的超级电容器电极材料。
　　(2)为了进一步提升FeCo2O4电极材料的比容量，设计制备了FeCo2O4/PPy无机/有机杂化电极材料。以负载FeCo2O4的泡沫镍为基底，再在低温原位氧化聚合法生长一层导电高分子—聚吡咯(PPy)，由此制备的电极材料其比容量在5mA cm-2时达到1932.73mF cm-2，相较于单纯的无机电极材料，其性能有明显提高。
　　(3)鉴于过渡金属硫化物的电化学性能要优于其金属氧化物，而目前二元金属硫化物的研究主要集中在Ni-Co，鲜有文献报道Fe-Co二元金属硫化物的超容性能。因此设计通过水热硫化法，将铁钴前驱体转换成铁钴硫化物，即将FeCo2O4中的氧元素转换成硫元素，合成了负载在泡沫镍上的FeCo2S4纳米花阵列。相比较其氧化物，硫化物电极的超容性能有了极大的提升，且该二元过渡金属硫化物性能也优于一元过渡金属硫化物。在电流密度为10 mA cm-2时，其比容量达到了7155.93 mF cm-2，当电流密度增加到50 mAcm-2时，其比容量依然有1644.07 mF cm-2，同时，该电极材料也表现出优异的电化学循环稳定性，在电流密度为50 mAcm-2下循环10000次，其比容量没有衰减。这些结果表明，FeCo2S4电极材料在超级电容器的应用中具有极高的价值。
　　(4) FeCo2S4电极材料虽然具有比较高的比容量和优异的循环稳定性，但其倍率性能还有很大的提升空间，因此设计了FeCo2S4/PPy无机/有机杂化电极材料，即以负载了FeCo2S4的泡沫镍为基底，再在低温原位氧化聚合法生长上一层导电高分子—聚吡咯(PPy)。制备的FeCo2S4/PPy电极材料为纳米线阵列，材料的倍率性能提升到了42.66％。

目录

摘要

1．1 引言

1．2 超级电容器的基本原理和应用

1．2．1 双电层电容器

1．2．2 法拉第超级电容器(FS)

1．3 超级电容器电极材料

1．3．1 碳材料

1．3．2 金属氧化物

1．3．3 导电聚合物

1．3．4 金属硫化物

1．4．1 研究目的及意义

1．4．2 研究创新点

1．4．3 研究内容

第二章 FeCo2O4@Ni纳米阵列电极材料的合成及超容性能研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验仪器与试剂

2．2．2 实验方法

2．3 材料的主要表征方法及原理

2．3．1 热重分析(TG)

2．3．2 红外吸收光谱分析(IR)

2．3．3 X射线衍射技术(XRD)

2．4．1 循环伏安法(CV)

2．4．2 恒电流充放电(GCD)

2．5 结果与讨论

2．5．1 合成和结构分析

2．3．2 电化学性能分析

2．4 本章小结

第三章 FeCo2O4／PPy@Ni纳米阵列电极材料的合成及超容性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验仪器及试剂

3．2．2 实验方法

3．2．3 材料表征与性能测试

3．2．4 电化学测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 合成和结构分析

3．3．2 电化学性能分析

3．4 本章小结

第四章 FeCo2S4@Ni纳米阵列电极材料的合成及超容性能研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验仪器及试剂

4．2．2 实验方法

4．2．3 材料表征与性能测试

4．2．4 电化学测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 合成和结构分析

4．3．2 电化学性能分析

4．4 本章小结

第五章 FeCo2S4／PPy@Ni纳米阵列

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验仪器及试剂

5．2．2 实验方法

5．2．3 材料表征与性能测试

5．2．4 电化学测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 合成和结构分析

5．3．2 电化学性能分析

5．4 本章小结

第六章 全文总结与研究展望

6．1 全文总结

6．2 工作不足

6．3 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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