二维MXene/镍基复合材料制备及其电化学性能研究

摘要

超级电容器作为高效的储能装置，具有充放电速率快、功率密度高、安全环保等优势。但是，低能量密度限定其发展与推广。镍基化合物作为电极活性材料具有理论容量高的优点。然而，镍基化合物的本征导电性差且充放电过程中结构不稳定，导致其循环寿命、倍率性等电化学性能不理想。为克服上述存在的问题，本论文提出了制备复合材料的策略。通过结构设计，将镍基化合物与高导电性的载体材料复合，充分发挥二元材料各自的优点形成正协同效应，解决镍基化合物导电性差和稳定性差的问题，进而获得具有高比容量、高倍率性以及长循环寿命的复合电极材料。同时，研究复合电极材料在混合电容器中的应用，得到能量密度高、性能稳定的储能器件。主要工作如下： 1.以硝酸镍水溶液为前驱液，在泡沫镍上水热原位长Ni(OH)2纳米片。研究了硝酸镍浓度对Ni(OH)2纳米片厚度的影响。Ni(OH)2纳米片彼此交错，交织成多孔，便于离子扩散和电荷传输。当加入0.12mmol硝酸镍时，所得0.12M-NHNF复合物具有更优异的性能。分别以0.12M-NHNF和活性炭为正负极组装混合电容器，展现出高能量密度。 2.运用水热法在二维Ti3C2基底表面及层间负载Ni2CO3(OH)2，系统探究了前驱物质量比对Ti3C2/Ni2CO3(OH)2复合物结构形貌及电化学性质影响。Ti3C2/Ni2CO3(OH)2复合物充分发挥Ti3C2与Ni2CO3(OH)2之间的协同效应，有效增加电化学活性位点，与单独Ni2CO3(OH)2相比，30-Ti3C2/Ni2CO3(OH)2具有更高比容量（173mAh g-1）和稳定性。分别以30-Ti3C2/Ni2CO3(OH)2和活性炭为正负极组装混合电容器，具有优异性能。 3.以十六烷基三甲基溴化铵为桥连剂，运用自组装法将Ti3C2纳米片（d-Ti3C2）负载在泡沫镍（NF）表面构筑无粘合剂的复合电极。该方法制备的复合电极材料可以有效防止d-Ti3C2的重新聚集，增大d-Ti3C2纳米片的活性面积，提升含氧基团等活性点利用率。无粘合剂的d-Ti3C2/NF复合物直接作为正极材料展现出高比容量（1A g-1时比容量为654F g-1）和良好的倍率性能。 4.进一步通过溶剂热法在d-Ti3C2/NF复合物原位生长Ni3S2制备Ni3S2/d-Ti3C2/NF复合物，膜状多孔的Ni3S2负载在d-Ti3C2纳米片表面并与泡沫镍紧密接触，缩短电荷转移途径，减小接触电阻和电子转移电阻。d-Ti3C2纳米片的加入，增加了电化学活性位点，显著提高导电性，使得Ni3S2/d-Ti3C2/NF复合物比容量明显优于Ni3S2/NF复合物。分别以Ni3S2/d-Ti3C2/NF和活性炭为正、负极组装混合电容器，展示较高能量密度和长循环寿命。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 超级电容器

1.1.1 双电层超级电容器

1.1.2 赝电容超级电容器

1.1.3 混合超级电容器

1.2 超级电容器的电极材料

1.2.1 双电层电极材料

1.2.2 赝电容电极材料

1.2.3 电池型电极材料

1.3 超级电容器的复合电极材料

1.3.1 双电层复合电极材料

1.3.2 赝电容复合电极材料

1.3.3 电池型复合电极材料

1.3.4 双电层与电池型复合电极材料

1.3.5 赝电容与电池型复合电极材料

1.4 选题依据及研究内容

2 实验部分

2.1 主要药品

2.2 仪器和设备

2.3 电极材料的表征

2.3.1 扫描电子显微镜

2.3.2 透射电子显微镜

2.3.3 X射线衍射

2.3.4 X射线光电子能谱

2.3.5 原子力显微镜

2.4 电化学测试

2.4.1 制备工作电极

2.4.2 循环伏安测试

2.4.3 恒电流充放电测试

2.4.4 电化学交流阻抗测试

2.4.5 超级电容器电化学测试

3 Ni(OH)2/Ni复合物的制备及其在超级电容器中的研究

3.1 前言

3.2 Ni(OH)2/Ni复合电极材料的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 物相及形貌结构表征

3.3.2 电化学测试

3.3.3 0.12-NHNF//AC混合电容器电化学测试

3.4 本章小结

4 Ti3C2/Ni2CO3(OH)2复合物制备及其在超级电容器中的研究

4.1 前言

4.2 Ti3C2/Ni2CO3(OH)2复合物的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 物相及形貌结构表征

4.3.2 电化学测试

4.3.3 30-Ti3C2/Ni2CO3(OH)2//AC混合超级电容器电化学测试

4.4 本章小结

5 自组装法制备d-Ti3C2/NF复合物及电化学性能研究

5.1 引言

5.2 d-Ti3C2/NF复合物的制备

5.3 结果与讨论

5.3.1 物性及形貌结构表征

5.3.2 电化学性能表征

5.3.3 d-Ti3C2/NF//2D Ti3C2非对称超级电容器电化学测试

5.4 本章小结

6 Ni3S2/d-Ti3C2/NF复合物制备及其在超级电容器中的应用

6.1 引言

6.2 Ni3S2/d-Ti3C2/NF复合物的制备

6.3 结果与讨论

6.3.1 物性及形貌结构表征

6.3.2 电化学性能测试

6.3.3 Ni3S2/d-Ti3C2/NF//AC混合超级电容器的电化学测试

6.4 本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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