模板法制备新型超级电容器电极材料及其电化学性能研究

论文摘要

超级电容器是20世纪70年代发展起来的一种新型储能元件，其具有较高能量密度和功率密度以及较好的循环使用寿命，受到国内外学者的广泛关注。目前对超级电容器的研究主要集中于对电极材料的研究上。电化学比电容是衡量电极材料储能性能的重要手段。电极材料的比电容与纳米材料的孔径大小和孔容有密切的关系。本论文分别采用“软、硬”模板法合成了具有不同形貌结构和孔径分布的电极材料，并利用TGA、XRD、SEM、TEM和BET等技术对电极材料的微观结构和形貌进行表征，采用循环伏安（CV）、恒电流充放电和电化学阻抗（EIS）等测试技术对材料的电化学电容性能进行表征。主要研究内容如下：1、分别以CoCl2·6H2O、NiCl2·6H2O和MnCl2·4H2O为原料，NH3·H2O为沉淀剂，AAO为“硬”模板，采用简单的化学沉淀法，通过考察原料的浓度及浸入时间，沉淀剂的浓度及浸入时间制备了Co（OH）2、Ni（OH）2和Mn（OH）2前躯体，经热处理得到Co3O4、NiO和MnO2纳米管。Co3O4纳米管的孔径分布在40～100nm，比表面积为218m2/g，将其应用于超级电容器具有较好的超电容性能和较好的循环稳定性，比电容可以达到574F/g，循环充放电1000圈后的比电容仍然可以达到552F/g，具有较长的循环使用寿命；NiO纳米管的比表面积为239m2/g，电化学比电容最大可以达到266F/g；MnO2纳米管的比表面积为179m2/g，电化学比电容最大可以达到566F/g，循环充放电1000圈后比电容维持在90%以上。2、以P123（聚环氧乙烯醚-聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚三嵌段共聚物，即EO20PO70EO20，平均分子量5800）为“软”模板，采用简单的化学沉淀法制备了Co3O4纳米材料。研究结果表明，电极材料具有较好的超电容性能，P123浓度从0g/L增加到50g/L时，材料的比电容增加明显，从263F/g增加到325F/g。P123浓度从50g/L增加到75g/L，比电容增加缓慢，从325F/g增加到326.7F/g。3、以P123为“软”模板，采用溶胶-凝胶法制备NiO纳米材料及NiO/Co3O4复合纳米材料。通过考察热处理温度对比电容的影响，确定了制备NiO的最佳热处理温度为350°C。在最佳煅烧温度条件下，NiO的比电容比非模板法制备的NiO提高了110%，从273F/g增加到583F/g。采用该方法制备的NiO/Co3O4复合材料的比电容明显高于模板法制备的纯NiO和纯Co3O4的比电容，最大比电容达到671F/g。4、以CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）为“软”模板，采用水热法制备了直径为500nm，长度为2μm的纳米棒状α-MnO2，电化学测试结果显示，其最大比电容达到140F/g。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 超级电容器研究的意义
• 1.2 超级电容器电极材料的分类
• 1.2.1 碳材料
• 1.2.2 导电聚合物
• 1.2.3 金属氧化物材料
• 1.3 金属氧化物电极材料制备方法
• 1.3.1 模板法
• 1.3.1.1 硬模板法
• 1.3.1.2 软模板法
• 1.3.2 化学沉淀法
• 1.3.3 水热合成法
• 1.3.4 溶胶-凝胶法
• 1.3.5 其它制备方法
• 1.3.5.1 固相反应法
• 1.3.5.2 电化学沉积法
• 1.3.5.3 熔盐法
• 1.4 本文研究目的及研究内容
• 2 实验部分
• 2.1 实验试剂和仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 主要仪器
• 2.2 材料的制备
• 3O₄、NiO 和 MnO₂纳米管的制备'>2.2.1 Co₃O₄、NiO 和 MnO₂纳米管的制备
• 3O₄纳米材料的制备'>2.2.2 Co₃O₄纳米材料的制备
• 3O₄电极材料的制备'>2.2.3 NiO 及 NiO/Co₃O₄电极材料的制备
• 2纳米棒电极材料'>2.2.4 α-MnO₂纳米棒电极材料
• 2.3 材料的性能表征
• 2.3.1 物理性能表征
• 2.3.2 电化学性能表征
• 2.3.2.1 工作电极的制备
• 2.3.2.2 电化学性能测试
• 3 AAO 模板法制备金属氧化物纳米管及其电化学性能研究
• 3O₄纳米管的制备及表征'>3.1 Co₃O₄纳米管的制备及表征
• 3.1.1 制备条件的考察
• 2浓度及浸入时间的考察'>3.1.1.1 CoCl₂浓度及浸入时间的考察
• 3·H₂O 浓度及浸入时间的考察'>3.1.1.2 NH₃·H₂O 浓度及浸入时间的考察
• 3.1.2 物理性能表征
• 3.1.2.1 XRD 分析
• 3.1.2.2 SEM 和 TEM 分析
• 3.1.2.3 BET 测试
• 3.1.3 电化学性能测试
• 3.1.3.1 循环伏安（CV）测试
• 3.1.3.2 恒流充放电测试
• 3.1.3.3 循环性能测试
• 3.1.3.4 交流阻抗测试
• 3.2 NiO 纳米管的制备及表征
• 3.2.1 制备条件的考察
• 2浓度及浸入时间的考察'>3.2.1.1 NiCl₂浓度及浸入时间的考察
• 3·H₂O 浓度及浸入时间的考察'>3.2.1.2 NH₃·H₂O 浓度及浸入时间的考察
• 3.2.1.3 Ni（OH）2的 TG 分析
• 3.2.2 物理性能表征
• 3.2.2.1 XRD 分析
• 3.2.2.2 SEM 和 TEM 分析
• 3.2.2.3 BET 测试
• 3.2.3 电化学性能测试
• 3.2.3.1 CV 测试
• 3.2.3.2 恒流充放电测试
• 3.2.3.3 循环性能测试
• 3.2.3.4 交流阻抗测试
• 2纳米管的性能表征'>3.3 γ-MnO₂纳米管的性能表征
• 3.3.1 制备条件的考察
• 3.3.2 物理性能表征
• 3.3.2.1 XRD 分析
• 3.3.2.2 SEM 和 TEM 分析
• 3.3.2.3 BET 测试
• 3.3.3 电化学性能测试
• 3.3.3.1 CV 测试
• 3.3.3.2 恒流充放电测试
• 3.3.3.3 循环性能测试
• 3.4 本章小结
• 4 “软”模板法制备金属氧化物及其电化学性能研究
• 3O₄及电化学性能研究'>4.1 化学沉淀“软”模板法制备 Co₃O₄及电化学性能研究
• 4.1.1 制备条件考察
• 4.1.1.1 TG 分析
• 4.1.1.2 模板剂 P123 量的考察
• 4.1.2 物理性能表征
• 4.1.2.1 XRD 分析
• 4.1.3 化学性能表征
• 4.1.3.1 CV 测试
• 4.1.3.2 恒电流充放电测试
• 4.1.3.3 交流阻抗测试
• 4.2 sol-gel “软”模板法制备 NiO 及电化学性能研究
• 4.2.1 热处理温度对 NiO 比电容的影响
• 4.2.2 纯 NiO 的物理性能表征
• 4.2.2.1 XRD 分析
• 4.2.2.2 SEM 分析
• 4.2.3 纯 NiO 的电化学性能测试
• 4.2.3.1 CV 测试
• 4.2.3.2 恒电流充放电测试
• 4.2.3.3 循环性能测试
• 4.2.3.4 交流阻抗测试
• 4.2.4 Co 掺杂对 NiO 电化学性能影响
• 4.2.4.1 XRD 分析
• 4.2.4.2 CV 测试
• 4.2.4.3 恒流充放电测试
• 4.2.4.4 交流阻抗测试
• 2及电化学性能研究'>4.3 水热“软”模板法制备α-MnO₂及电化学性能研究
• 4.3.1 物理性能表征
• 4.3.1.1 TG 分析
• 4.3.1.2 SEM 分析
• 4.3.1.3 XRD 分析
• 4.3.2 电化学性能测试
• 4.3.2.1 CV 测试
• 4.3.2.2 交流阻抗测试
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 攻读学位期间研究成果
• 致谢