钴基金属氧化物的合成及其赝电容性质的研究

【摘要】超级电容器是一类具有高功率密度、优异的循环稳定性能以及可实现快速充放电的新型电化学储能器件，在混合动力汽车、工业电力、国防军用以及存储系统等众多领域具有巨大的潜在应用价值。但其相对较低的能量密度大大的限制了其应用。如何设计并制备具有优异电化学性质的电极材料是解决超级电容器现有问题的关键所在。金属氧化物由于其相对碳材料较高的比电容以及相对导电聚合物较高的循环稳定性而成为一类非常具有潜力的超级电容器电极材料。本文设计并控制合成了系列具有特殊形貌和尺寸的钴基氧化物及其复合物纳米电极材料，并分别研究了不同钴基氧化物及其复合物的赝电容性质。（1）采用水热法首次将ZnCo2O4纳米片列阵生长在多孔泡沫镍基底上，并直接将其作为超级电容器电极。通过XRD、XPS、SEM、TEM以及BET等测试方法对其进行了表征。测试结果表明，得到的ZnCo2O4纳米片为细小的纳米颗粒堆积而成，纳米片的尺寸在1-3μm之间，孔道分布为2-5nm的介孔结构，纳米片的厚度约为30nm。通过电化学手段（循环伏安测试、恒电流充放电测试以及循环稳定性测试）对其进行了性质测试。测试表明，这种ZnCo2O4纳米片列阵复合电极表现出较优异的比电容值和循环稳定性。在5Ag-1的电流密度时其电容值为2468Fg-1，在30Ag-1的电流密度条件下循环1500次电容仅损失3.9%。（2）通过水热法，并简单控制溶剂成功将两种具有不同形貌的NiCo2O4纳米片生长在泡沫镍上，并研究了其电化学性质。实验室中，我们发现当以甲醇和水为溶剂时，得到的纳米片为弯曲的纳米片，纳米片的尺寸较为均一，尺寸在1-2μm之间，厚度约为10nm,并且表面分布有均匀的多孔结构，纳米片相互连接形成三维网络结构；而当以水和乙二醇为溶剂时，纳米片为曲卷的纳米片，而且带有明显的褶皱，尺寸0.5-3μm，厚度为10nm左右，并且这些纳米片同样相互连接形成三维网络结构。电化学性质测试表明这两种纳米片均具有较优异的电化学性质。（3）通过简单的两步水热法成功合成了具有核-壳结构的NiCo2O4@MnO2纳米片列阵，这种纳米片核-壳结构比较均匀的生长在泡沫镍基底上,并直接作为超级电容器电极。通过XRD、EDS、SEM以及TEM测试,证实了得到的纳米片的组成和形貌。其中“核”为第一步水热法得到的NiCo2O4纳米片，其厚度为10nm左右，而“壳”为第二步反应得到的MnO2纳米片，厚度约为2nm。NiCo2O4纳米片与MnO2纳米片共同组成了三维的核-壳纳米片列阵结构。电化学测试表明，这种具有核-壳复合结构的NiCo2O4@MnO2的电容性质和循环稳定性明显优于单纯的NiCo2O4纳米片。这说明将MnO2纳米片生长在NiCo2O4纳米片上得到的复合结构能明显改善材料的电容性质并提高其循环稳定性。
【作者】包福喜；
【导师】刘晓旸；
【作者基本信息】吉林大学，无机化学，2014，硕士
【关键词】超级电容器；钴基氧化物；赝电容；纳米片；核-壳结构；

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