钴锰层状双金属氢氧化物的制备及其电化学性能研究

摘要

超级电容器因储能丰富、绿色环保、充放电速度快、循环寿命长、功率密度大而受到了极大的关注。决定超级电容器性能的关键因素为电极材料。在众多电极材料中，层状双金属氢氧化物（LDH）具有独特的层状结构，因此在催化剂、吸附剂、分子筛、超级电容器等众多领域都有很好的应用。本文对其作为电极材料进行研究，首先选取钴、锰两种过渡金属元素，采用共沉淀法制备钴锰层状双金属氢氧化物（CoMn-LDH）。然后，利用撞击流-旋转填料床（IS-RPB）对CoMn-LDH制备过程进行强化。最后，引入聚吡咯（PPy）对CoMn-LDH性能进行改进。主要研究内容如下： （1）共沉淀法制备CoMn-LDH基础研究。在磁力搅拌条件下，将硫酸锰和硫酸钴的混合溶液与氢氧化钠反应进行CoMn-LDH制备。主要研究了钴锰摩尔比，氢氧化钠浓度，晶化时间等操作参数对样品形貌、结构以及电化学性能的影响规律。采用X射线衍射（XRD）、红外光谱（FT-IR）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和比表面积分析仪（BET）等测试手段对材料的物性进行表征，采用电化学工作站和蓝电电池测试系统等测试手段进行电化学性能测试。结果表明：CoMn-LDH制备过程的适宜操作条件为钴锰摩尔比为2∶1，氢氧化钠浓度为2mol/L，晶化时间为21h。在该条件下制得CoMn-LDH的粒子大小为388.9nm，比表面积为59.5m2/g，比容量为952F/g，经过1000次恒流充放电测试以后，比容量保持率为92.7%。 （2）超重力强化CoMn-LDH制备过程及其电化学性能研究。通过IS-RPB对反应过程的混合进行强化。首先通过高速摄像机对CoMn-LDH的成核时间进行粗测，结果表明：CoMn-LDH的成核时间小于4ms，属于快速成核反应，可应用超重力技术强化其制备过程。然后对IS-RPB填料转速与液体流量等操作参数进行优化。采用XRD、FT-IR、SEM、TEM和BET等测试手段对样品的物性进行表征，采用电化学工作站和蓝电电池测试系统等测试手段进行电化学性能测试，并对比了磁力搅拌器与IS-RPB制得产物的物性与电化学性能。结果表明：通过IS-RPB制备CoMn-LDH的适宜操作条件为填料转速为900rpm，液体流量为100L/h。与磁力搅拌器制得CoMn-LDH相比，在该条件下制得的CoMn-LDH为规整的层状六边形结构，比表面积为92.2m2/g，粒子大小为187.9nm，比容量为1477F/g，经过1000次恒流充放电以后，比容量保持率为96%。 （3）CoMn-LDH/PPy制备过程及其电化学性能研究。通过PPy对CoMn-LDH性能进行改进，主要研究了CoMn-LDH与吡咯单体（Py）的质量比，Py与过硫酸铵的摩尔比，聚合反应时间等参数对产物性能的影响规律。采用XRD、FT-IR对产物物性进行表征，采用电化学工作站和蓝电电池测试系统等测试手段进行电化学性能测试。结果表明：CoMn-LDH/PPy复合材料制备的适宜操作条件为CoMn-LDH与Py的质量比为125∶4，Py与过硫酸铵的摩尔比为2∶1，Py的聚合反应时间为1.5h。与CoMn-LDH相比，CoMn-LDH/PPy比容量为1787F/g，电化学阻抗较小，经过1000次恒流充放电测试以后，比容量保持率为99.5%。

目录

声明

1 绪论

1.1 超级电容器概述

1.1.1 超级电容器储能机理

1.1.2 超级电容器分类

1.1.3 超级电容器电极材料

1.2 层状双金属氢氧化物电极材料

1.2.1 层状双金属氢氧化物的性质

1.2.2 层状双金属氢氧化物的制备方法

1.2.3 层状双金属氢氧化物的研究进展

1.2.4 PPy改进层状双金属氢氧化物的研究进展

1.3 微观混合过程强化技术

1.3.1 微观混合对反应过程的影响

1.3.2 微观混合强化技术

1.4 高速摄像技术简介

1.4.1 高速摄像技术

1.4.2 高速摄像技术的应用

1.5 本课题研究意义及内容

2 实验方法

2.1 实验药品与仪器设备

2.2 电极材料的制备

2.2.1 共沉淀法制备CoMn-LDH

2.2.2 超重力强化制备CoMn-LDH

2.2.3 CoMn-LDH/PPy制备

2.3 工作电极制备

2.4 材料表征

2.4.1 物理性能表征

2.4.2 电化学性能表征

3 共沉淀法制备CoMn-LDH基础研究

3.1 引言

3.2 共沉淀法制备CoMn-LDH工艺研究

3.2.1 钴锰摩尔比对产物比容量的影响

3.2.2 氢氧化钠浓度对产物比容量的影响

3.2.3 晶化时间对产物比容量的影响

3.3 产物物理性质研究

3.3.1 FT-IR分析

3.3.2 XRD分析

3.3.3 SEM与TEM分析

3.3.4 动态光散射与BET分析

3.4 CoMn-LDH电化学性能研究

3.4.1 循环伏安（CV）曲线分析

3.4.2 恒流充放电（GV）曲线分析

3.4.3 电化学阻抗（EIS）曲线分析

3.4.4 循环寿命曲线分析

3.5反应过程混合程度探究

3.6 本章小结

4 超重力强化CoMn-LDH制备过程及其电化学性能研究

4.1 引言

4.2 反应特征成核时间估算

4.3 超重力强化CoMn-LDH制备工艺研究

4.3.1 液体流量对产物比容量的影响

4.3.2 填料转速对产物比容量的影响

4.4 IS-RPB反应器制得CoMn-LDH物理性质研究

4.4.1 FT-IR与XRD分析

4.4.2 SEM与TEM分析

4.4.3 动态光散射与BET分析

4.4.4 TG分析

4.4.5 XPS分析

4.4.6 ICP-MS分析

4.5 IS-RPB反应器制得CoMn-LDH电化学性能研究

4.5.1 循环伏安（CV）曲线分析

4.5.2 恒流充放电（GV）曲线分析

4.5.3 电化学阻抗（EIS）曲线分析

4.5.4 循环寿命曲线分析

4.6 CoMn-LDH电极材料对比

4.7 本章小结

5 CoMn-LDH/PPy制备过程及其电化学性能研究

5.1 引言

5.2 CoMn-LDH/PPy制备工艺研究

5.2.1 CoMn-LDH与PPy质量比对CoMn-LDH/PPy比容量的影响

5.2.2 Py与过硫酸铵摩尔比对CoMn-LDH/PPy比容量的影响

5.2.3 Py聚合时间对CoMn-LDH/PPy比容量的影响

5.3 CoMn-LDH/PPy物理性质研究

5.3.1 FT-IR分析

5.3.2 XRD分析

5.4 CoMn-LDH/PPy电化学性能研究

5.4.1 循环伏安（CV）曲线分析

5.4.2 恒流充放电（GV）曲线分析

5.4.3 电化学阻抗（EIS）曲线分析

5.4.4 循环寿命曲线分析

5.5 LDH/PPy电极材料对比

5.6 本章小结

6 全文总结

6.1 总结

6.2 创新点

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢