碳包覆纳米金属氧化物的制备及其电容性能研究

论文摘要

随着能源消耗的日益扩大,和全球变暖等环境问题的出现,人们对温室气体排放可控的新型的清洁能源以及更先进的储能器件的需求越来越紧迫。超级电容器作为一种新型的绿色、环保的储能器件应运而生,它集高能量密度、高功率密度、长使用寿命等特性于一身,具有十分广泛的应用领域。在超级电容器的研究中,高功率性能、高比容量的电极材料的开发具有重要的现实意义和理论价值。碳包覆纳米金属氧化物作为一种金属氧化物与碳复合的新型电极材料,兼具了碳材料的高功率性能以及金属氧化物的高比容量等优点,使其成为超级电容器电极材料的最佳选择之一。本文以碳包覆纳米金属颗粒（Carbon-encapsulated metal nanoparticles, CEMNP）为前躯体,采用直接氧化法和水热氧化法这两种方法来制备碳包覆纳米金属氧化物颗粒,研究了碳包覆纳米金属氧化物颗粒作为超级电容器的电极材料的电化学性能。分别用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、X射线衍射、傅里叶红外光谱对产物的外部形貌和内部结构进行研究,并在质量浓度为30%的KOH的电解液中,利用循环充放电、循环伏安和交流阻抗手段测试了作为超级电容器电极材料的电化学性能。研究表明,采用直接氧化法在300℃温渡下制备的碳包覆纳米氧化镍颗粒（NiO@C）的粒径在10～20 nm。根据氧化时间的不同,氧化10小时的反应产物呈现最高的电化学性能,在0.1 A/g的电流密度下,比容量可以达到193 F/g,且有较好的功率性能。直接氧化法在270℃高温下制备的碳包覆纳米氧化钴颗粒（Co3O4@C）,粒径在30-40 nm,同时有一定量的空心结构Co3O4@C颗粒产生（Co3O4@C-HNPs）。其中氧化时间为24 h的样品电化学性能最佳,在0.1 A/g的电流密度下,比容量可以达到108F/g,且有较好的功率性能。水热氧化法是本文探索的制备碳包覆纳米金属氧化物颗粒的新方法,即以碳包覆纳米金属颗粒为前躯体,以30%的H202作为氧化剂,在高压水热釜中,200℃下反应不同时间。这种方法制得的碳包覆纳米金属氧化镍颗粒中,出现了一定量的空心结构。其中,氧化15小时的样品的电化学性能最好,其比容量在0.1 A/g的电流密度下高达966 F/g,即使在大电流密度2 A/g下也仍有402 F/g,表现出极好的电容性能。该结果表明：水热法制备的碳包覆纳米金属氧化镍的电化学性能远远优于直接氧化法制得的样品。究其原因,是由于该法生成的大量的空心结构为氧化镍的氧化还原反应提供了更多的反应活性点,同时碳包覆层表面被氧化形成的官能团也对赝电容做出了贡献。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超级电容器
• 1.2.1 超级电容器的工作原理
• 1.2.2 超级电容器的结构
• 1.2.3 超级电容器的特点
• 1.3 超级电容器的电极材料
• 1.3.1 碳基电极材料
• 1.3.2 过渡金属氧化物电极材料
• 1.3.3 导电聚合物电极材料
• 1.4 碳包覆纳米金属颗粒
• 1.4.1 碳包覆纳米金属颗粒的结构
• 1.4.2 碳包覆纳米金属颗粒的制备方法
• 1.5 碳包覆纳米金属氧化物颗粒
• 1.5.1 纳米尺寸的柯肯达尔效应原理
• 1.5.2 碳包覆纳米金属氧化物的形成机理
• 1.5.3 碳包覆纳米金属氧化物颗粒的应用
• 1.6 选题的目的和意义
• 第二章 试验方法及原理
• 2.1 主要原材料及仪器设备
• 2.1.1 主要化学试剂及原材料
• 2.1.2 主要试验设备仪器
• 2.2 实验样品的制备
• 2.2.1 碳包覆纳米金属颗粒的制备
• 2.2.2 碳包覆纳米金属氧化物颗粒的制备
• 2.3 电极的制备与电容器的组装
• 2.3.1 电极的制备
• 2.3.2 三电极电容器的组装
• 2.4 材料的结构分析及表征
• 2.4.1 热重-示差扫描（TG-DSC）同步热分析
• 2.4.2 X射线衍射测试（XRD）
• 2.4.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.4 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.5 高分辨透射电子显微镜（HREM）
• 2.4.6 傅立叶变换红外光谱测试（FT-IR）
• 2.5 样品的电化学测试
• 2.5.1 恒流充放电测试
• 2.5.2 循环伏安测试
• 2.5.3 交流阻抗测试
• 第三章 直接氧化法制备碳包覆纳米金属氧化物颗粒及其电化学性能
• 3.1 直接氧化法制备碳包覆纳米氧化镍颗粒的结构及其电化学性能
• 3.1.1 碳包覆纳米金属镍颗粒的结构性能
• 3.1.2 直接氧化法制备碳包覆纳米氧化镍颗粒的结构表征
• 3.1.3 直接氧化法制备碳包覆纳米氧化镍颗粒的电化学性能研究
• 3.2 直接氧化法制备碳包覆纳米氧化钴颗粒的结构及其电化学性能
• 3.2.1 碳包覆纳米金属钴颗粒的结构性能
• 3.2.2 直接氧化法制备碳包覆纳米氧化钴颗粒的结构表征
• 3.2.3 碳包覆纳米氧化钻颗粒的电化学性能表征
• 3.3 本章小结
• 第四章 水热氧化法制备碳包覆纳米金属氧化物颗粒及其电化学性能
• 4.1 水热氧化法制备碳包覆纳米氧化镍颗粒的结构表征
• 4.1.1 水热氧化法制得的空心碳包覆纳米金属氧化镍颗粒的电镜分析
• 4.1.2 X射线衍射分析（XRD）
• 4.1.3 红外光谱分析
• 4.2 电化学测试
• 4.2.1 恒流充放电测试
• 4.2.2 循环伏安测试
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书