钴/锰基功能纳米材料的可控制备及其超级电容性能研究

【摘要】超级电容器作为下一代新型储能器件,正被广泛开发应用于诸多领域。而作为超级电容器核心,电极材料也因此显得越发重要。电极材料中以赝电容电极材料具备更高的比电容,正成为当前研究热点。本论文主要开展基于Co、Mn基系列赝电容电极材料的结构调控与超级电容器性能研究,另外论文还包括了一部分氧化物纳米材料气体传感器性能方面的研究,其具体研究内容如下：(1)成功制备了厚度仅为50.5nm的C0304纳米片组成的分级多孔纳米材料。电化学性能研究表明,该电极材料在0.5A/g充放电情况下,比容量高达997F/g,而在8A/g高电流充放电条件下,材料的比容量仍然高达759F/g,并且在循环充放电1000次后,比容量仍然保持约92.3%。(2)成功制备Co(CO3)0.5(OH)·0.11H2O纳米棒组成的三维(3D)分级双球结构。通过晶体生长动力学研究发现,该1D前驱物Co(C03)0.5(OH)·0.11H2O纳米棒具有独特的多级分裂式生长特点,并最终形成规整的3D分级双球结构。经煅烧后,该Co(C03)0.5(OH)·0.11H2O纳米棒组成的3D分级双球结构转变为由1D链状C0304纳米线组成的独特多孔3D分级双球结构。电化学性能研究表明,该电极材料在0.5A/g充放电情况下,比容量高达781F/g,而在8A/g充放电情况下,比容量仍然高达611F/g,且在4A/g充放电1000次后,比容量仍然保持最初比容量的97.8%。(3)实现单晶Co304纳米颗粒在多壁碳纳米管(MWCNTs)表面的包覆生长,并提出了基于晶体匹配机制的自组装生长机理。由于MWCNTs的(400)面和C03O4的(101)面可以很好匹配,在成核-生长过程中,C0304可以将CNTs包裹在内,并在MWCNTs表面环绕生长得到单晶颗粒,形成项链状结构。通过改变溶剂配比、反应温度和反应物浓度可以有效调控C0304纳米晶的生长结构形貌,获得具有李子状、八面体和球体的Co304纳米晶体包裹MWCNTs的复合材料。电化学性能研究表明该复合材料具有优异的超级电容器性能。在0.1A/g充放电电情况下,李子状的Co3O4/MWCNTs具有577.9F/g的高比电容,而八面体Co3O4/MWCNTs则只有210.5F/g。(4)为了改善Mn304的导电性问题,开展了其与还原石墨烯(RGO)复合方面的工作。将Mn(Ac)2与氧化石墨烯(GOX)加入乙二醇和水的混合溶剂中,通过溶剂热反应成功的制备得Mn3O4@RGO纳米复合材料。研究结果表明,Mn304纳米颗粒可以直接在RGO表面成核和生长,从而能有效阻止GOX纳米片的团聚。我们以Mn3O4@RGO为正极,传统的活性炭(AC)为负极,组装成新型的非对称超级电容器。分别采用KOH和Na2SO4电解液,系统的研究了其非对称超级电容性能,发现其在1MNa2SO4比在6MKOH中展示出更好的电容性能。Mn3O4@RGO//AC非对称超级电容器,在1MNa2SO4电解液中,2V的工作电压窗口下,基于活性物质总质量,其功率密度为0.5kW/kg时能达到的最大的比能量密度为34.6Wh/kg,在能量密度为7Wh/kg时能达到的最大比功率密度为15.2kW/kg。(5)采用溶剂热方法成功将MnOOH纳米杆直接生长到RGO表面。电化学性能研究表明,该MnOOH@RGO纳米复合物比电容得到显著提高,其在0.5A/g下,比电容高达268F/g,而纯MnOOH的比电容仅为108F/g,基于MnOOH@RGO和活性炭(AC)的非对称超级电容器展示的最高比能量密度为41.1Wh/kg,而相应的功率密度为400W/kg,最大的比功率密度为12.8kW/kg时相应的能量密度为10.7Wh/kg。另外,该非对称超级电容器也展示了非常优秀的循环稳定性,5000循环测试后比电容依然保持了最初电容的98.3%。(6)利用自组装技术,首次成功将Pd纳米粒子均匀组装到ZnO多孔纳米片表面,并利用该新型复合材料成功设计并制备了丙酮气体传感器。气敏性能研究表明,在100ppm的丙酮蒸汽中,元件的灵敏度高达70,是利用单一ZnO多孔纳米片制备的传感器的灵敏度的两倍以上,且具有较好的气敏选择性。
【作者】肖元化；
【导师】李峰；
【作者基本信息】新疆大学，物理化学，2014，博士
【关键词】超级电容器；分级结构；金属氧化物；碳纳米管；石墨烯；

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