三氧化二铁/碳纳米管复合材料的制备及其在超级电容器负极中的应用研究

摘要

超级电容器作为一类新型绿色储能器件，具有功率密度大、充放电速度快、周期寿命长、操作温度宽、环保安全等优异性能，近年来广受关注并应用于很多领域，如混合动力电动车、便携可穿戴电子产品等。采用赝电容材料为正极和碳基材料为负极的非对称结构超级电容器具备宽的工作电压窗口和优异的功率密度、能量密度，然而碳负极材料的比电容低，不能与法拉第赝电容的正极材料相匹配，从而严重限制了超级电容的电化学性能，需要探寻具备高比电容的新型负极材料。本论文利用导电性优异的碳基纳米材料，通过不同方式与三氧化二铁纳米结构复合，来提高三氧化二铁负极材料的电化学性能。主要研究内容如下：　　（1）通过水热法制备 CNT/Fe2O3@C 复合负极材料。先在碳布基底上通过化学气相沉积方法制备碳纳米管，接着在 CNT表面通过水热法制备 Fe2O3纳米线，制备Fe2O3纳米线的负载量为0.9～1.2 mg/cm2。在碱性溶液中，电化学性能测试显示CNT/Fe2O3电极在充放电电流密度为5 A/g时的比电容为480 F/g，比直接在碳布水热制备Fe2O3的比电容高（5A/g时为65 F/g）很多，表明CNT的复合能大大提高Fe2O3的比电容。为了进一步改善复合材料的电化学性能，利用葡萄糖碳化在CNT/Fe2O3表面进行碳包覆，并探究不同浓度的葡萄糖对复合材料电化学性能的影响，发现当葡萄糖浓度为0.02 g/mL时，CNT/Fe2O3@C电极材料的比电容在充放电电流为5 A/g时可以达到731 F/g。　　（2）溅射法制备CNT/Fe2O3@C状核壳结构。溅射法制备的Fe2O3纳米结构的负载量为 0.14～0.18 mg/cm2。电化学测试标明 CNT/Fe2O3@C 负极材料在中性溶液中，扫描速率为5 mV/s时的比电容为710 F/g；在碱性溶液中，扫描速率为5 mV/s时的比电容为787.5 F/g，且其倍率性能优异。C壳层的包覆提升了整个电极材料的导电性和稳定性，在电化学测试中循环7000圈以后，仍可以保持92%的初始比电容。实验结果表明通过溅射方式制备的CNT/Fe2O3@C三明治状核壳结构作为超级电容器的负极材料，不仅具备优异的比电容还具有良好的电化学稳定性。　　（3）不同溅射参数对CNT/Fe2O3@C负极材料性能的影响。调控Fe2O3壳层的溅射时间，发现随着溅射时间的增加，Fe2O3的负载量呈线性增长，可以通过控制 Fe2O3的溅射时间来准确控制其负载量；另外在电化学反应中，Fe2O3量过少会减少氧化还原反应从而导致法拉第赝电容降低，而Fe2O3量过多会导致团聚从而导致电极材料的比表面积减少、倍率性能变差；适量的Fe2O3壳层才能改善负极材料的电化学性能。调控C壳层的溅射时间，发现C包覆过少会减弱对电极材料的导电提升作用，C 包覆过多会阻碍 Fe3+离子和 K+离子的传输通道，适量的C包覆才能提高电极材料的稳定性。

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兰州大学-凝聚态物理-新能源材料-王欢 - 扫描复印件

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