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基于超级电容器用的四氧化三钴的形貌可控制备及性能研究

2020-12-11阅读(636)

基于超级电容器用的四氧化三钴的形貌可控制备及性能研究

论文摘要

论文综述了超级电容器的特点、应用和电极材料的最新研究进展,同时也对Co3O4的形貌可控与性能应用等方面进行了全面综述,研究了基于超级电容器用的四氧化三钻的形貌可控制备及性能。论文的主要内容如下：（1）RuO2具有高的比容量,但高昂的价格限制了它在超级电容器中的应用。通过喷雾法首次制备了具有不同RuO2含量的RuO2/Co3O4复合薄膜,并将其用于超级电容器中,以降低RuO2的用量。研究表明：在充放电电流密度为0.2Ag-1时,纯CO3O4、15.5% RuO2复合物、35.6%RuO2复合物和62.3%RuO2复合物的比电容分别为394±8,453±9,520±10和690±14 Fg-1。其中62.3% RuO2复合物的比电容值与文献报道的纯RuO2 （720 F g-1）相接近,降低了RuO2的用量。比较研究发现：在各种电流密度下,62.3% RuO2复合物具有最大比电容；35.6%RuO2复合物不仅在电流密度为0.5,1.0,1.5和2.0 Ag-1时具有最大的来自RuO2贡献的比电容（CspRuO2）,而且当电流密度从0.2增大到2.0 Ag-1时具有最高的比电容保持率（46.3±2.8%）。在充放电电流密度为0.2Ag-1时,62.3%RuO2复合物中来自RuO2贡献的比电容值为869±23 Fg-1,高于文献报道的纯RuO2的比电容值（720 Fg-1）。（2）孔状过渡金属氧化物由于具有好的电容性能而用作超级电容器电极材料。然而,研究者仅合成单一孔径的电极材料。与单一孔径的材料相比,多级孔状材料,由于通过材料的质量传输特性的提高和保持细孔的比表面积,其性能有所改善。论文首次通过聚苯乙烯胶态球和聚乙二醇作模板制备了介孔/大孔Co3O4超级电容器电极材料。为了比较研究,在相同情况下,制备了无孔Co3O4和介孔Co3O4电极。研究表明：在各种电流密度下,介孔/大孔Co3O4电极比无孔Co3O4和介孔Co3O4电极的比电容都大。在电流密度为0.2 Ag-1时,介孔/大孔Co3O4电极的比电容为453Fg-1,是目前孔状Co3O4超级电容器材料中最高比电容值。另外,当电流密度由0.2增加到1.0Ag-1时,介孔/大孔Co3O4电极具有最大的比电容保持率,这说明了介孔/大孔Co3O4电极更适合高速充放电。本研究还提供了一种简单而有效的方法制备用于超级电容电极材料的介孔/大孔过渡金属氧化物。（3）粉末状Co3O4超级电容器材料在制备电极材料过程中须与导电剂和粘结剂混合在一起。绝缘的粘结剂的使用会导致电极材料内部电阻的增加。论文通过化学沉积法制备了Co3O4薄膜。SEM显示Co3O4薄膜由像球形一样的粗糙表面粒子组成,并且在粒子中存在孔状结构。电化学研究表明：在电流密度为0.2 Ag-1时,Co3O4薄膜具有最大的比电容值为227 Fg-1,这个值大于喷雾沉积法制备的Co3O4薄膜比电容值（74 Fg-1）和连续的离子层吸附与反应法制备的Co3O4薄膜比电容值（165 Fg-1）。当电流密度增加到1.4Ag-1时,其比电容值为152Fg-1。当电流密度由0.2增加到1.4Ag-1,比电容保持率为67%。与其他方法相比,该方法具有成本低,反应条件温和和能沉积大面积薄膜。（4）考虑到化学浴沉积法制备的Co3O4薄膜用于超级电容器材料时,在大电流密度下的比电容保持率不高,尚需进一步提高。采用了电沉积法制备了Co（OH）2薄膜,然后煅烧Co（OH）2薄膜制备了Co3O4薄膜,并对其电容性能进行了研究。研究表明：在电流密度为0.2 Ag-1时,Co（OH）2薄膜电极,200℃和300℃煅烧Co（OH）2后所得Co3O4薄膜电极的比电容值分别为153.4,150.4和129.1 F g-1。当电流密度从0.2增加到1.0Ag-1时,三种薄膜电极的比电容保持率大于97%；当电流密度增加到2.0 A g-1时,三种薄膜电极中比电容保持率最低值大于88%。这些数值远大于化学浴沉积Co3O4薄膜的电容保持率（67%）（5）以葡萄糖为前驱物,采用水热法合成了胶态碳球,然后利用胶态碳球制备了多层包覆的新型复合材料—Co3O4/CoO/Co/石墨材料。此复合材料与其他研究者采用类似方法制备的物质相比具有完全不同的结构,它们是由多层不同物质组成的球形结构,其最外层是Co3O4,第二层是CoO,第三层是Co,最里面一层是石墨。采用循环伏安和恒电流充放电等方法对Co3O4/COO/CO/石墨的电化学性能进行了测试。研究表明：该材料的电容行为是由氧化还原反应所产生的法拉第赝电容和双电层电容组成,其比电容为25.2 Fg-1,比纯Co3O4的低,但电势窗口为-1.0-0.46V,比纯Co3O4的大。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 超级电容器的工作原理
  • 1.2.1 双电层电容器的工作原理
  • 1.2.2 基于金属氧化物的法拉第准电容器的工作原理
  • 1.2.3 基于导电聚合物的法拉第准电容器的工作原理
  • 1.3 超级电容器电极材料的研究进展
  • 1.3.1 碳材料
  • 1.3.2 过渡金属氧化物材料
  • 1.3.3 导电聚合物材料
  • 1.3.4 其他超级电容器材料
  • 1.4 孔状材料的制备与应用
  • 1.4.1 微孔、介孔材料的制备与应用
  • 1.4.2 大孔材料的制备吸其应用
  • 3O4的制备方法及其应用'>1.5 纳米Co3O4的制备方法及其应用
  • 3O4的制备方法'>1.5.1 纳米Co3O4的制备方法
  • 3O4的应用'>1.5.2 纳米Co3O4的应用
  • 1.5 本论文选题思路与研究的主要内容
  • 3O4/RuO2复合金属氧化物薄膜用作超级电容器材料'>第二章 喷雾法制备Co3O4/RuO2复合金属氧化物薄膜用作超级电容器材料
  • 2.1 引言
  • 2.2 实验部分
  • 2.2.1 实验原料及仪器
  • 2.2.2 电极的制备
  • 2.2.3 样品的分析及测试
  • 2.2.3.1 X射线衍射（XRD）分析
  • 2.2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）分析
  • 2.2.3.3 原子力显微镜（AFM）分析
  • 2.2.3.4 电化学性能测试
  • 2.3 结果与讨论
  • 2.3.1 XRD
  • 2.3.2 形貌分析
  • 2.3.3 循环伏安测试
  • 2.3.4 恒流充放电测试
  • 2.3.5 交流阻抗测试
  • 2.4 本章结论
  • 3O4超级电容器薄膜电极材料'>第三章 以聚乙二醇和聚苯乙烯球为模板制备介孔/大孔Co3O4超级电容器薄膜电极材料
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验部分
  • 3.2.1 实验原料及仪器
  • 3.2.2 电极的制备
  • 3.2.3 样品的分析及测试
  • 3.2.3.1 X射线衍射（XRD）分析
  • 3.2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）分析
  • 3.2.3.3 原子力显微镜（AFM）分析
  • 3.2.3.4 电化学性能测试
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 XRD分析
  • 3.3.2 形貌分析
  • 3.3.3 循环伏安测试
  • 3.3.4 恒电流充放电测试
  • 3.3.5 交流阻抗测试
  • 3.4 本章结论
  • 3O4薄膜及其电容性能的研究'>第四章 化学浴沉积Co3O4薄膜及其电容性能的研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验部分
  • 4.2.1 实验原料及仪器
  • 3O4薄膜电极的制备与表征'>4.2.2 Co3O4薄膜电极的制备与表征
  • 3O4薄膜电极的电化学性能测试'>4.2.3 Co3O4薄膜电极的电化学性能测试
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 XRD分析
  • 4.3.2 形貌分析
  • 4.3.3 循环伏安测试
  • 4.3.4 恒电流充放电测试
  • 4.3.5 交流阻抗测试
  • 4.4 本章结论
  • 2薄膜和Co3O4薄膜及其电容特性研究'>第五章 电沉积Co（OH）2薄膜和Co3O4薄膜及其电容特性研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验部分
  • 5.2.1 实验原料及仪器
  • 2薄膜的制备'>5.2.2 Co（OH）2薄膜的制备
  • 3O4薄膜的制备'>5.2.3 Co3O4薄膜的制备
  • 2薄膜和Co3O4薄膜的表征'>5.2.4 Co（OH）2薄膜和Co3O4薄膜的表征
  • 5.2.4.1 X射线衍射（XRD）分析
  • 5.2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）分析
  • 2薄膜和Co3O4薄膜的电化学性能测试'>5.2.4.3 Co（OH）2薄膜和Co3O4薄膜的电化学性能测试
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 XRD分析
  • 5.3.2 形貌分析
  • 5.3.3 循环伏安测试
  • 5.3.4 恒电流充放电测试
  • 5.4 本章结论
  • 3O4/CoO/Co/石墨复合物的制备及其电容性能研究'>第六章 Co3O4/CoO/Co/石墨复合物的制备及其电容性能研究
  • 6.1 引言
  • 6.2.1 实验原料及仪器
  • 6.2.2 碳球的制备
  • 3O4/CoO/Co/石墨复合电极的制备'>6.2.3 Co3O4/CoO/Co/石墨复合电极的制备
  • 6.2.4 样品的分析及测试
  • 6.2.4.1 X射线衍射（XRD）分析
  • 6.2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）分析
  • 3O4/CoO/Co/石墨电极的电化学性能测试'>6.2.4.3 Co3O4/CoO/Co/石墨电极的电化学性能测试
  • 6.3 结果与讨论
  • 6.3.1 XRD分析
  • 6.3.2 形貌分析
  • 3O4/CoO/Co/石墨复合物的合成的机理'>6.3.3 胶态球的制备和Co3O4/CoO/Co/石墨复合物的合成的机理
  • 6.3.4 循环伏安测试
  • 6.3.5 恒电流充放电测试
  • 6.4 本章结论
  • 第七章 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间主要的研究成果

    • 相关论文文献

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