纳米金属氧化物复合材料的制备及其超级电容性能研究

论文摘要

超级电容器是一种性能介于传统电容器和电池之间的新型高功率储能器件。与电池相比,超级电容器具有更大的功率密度;与传统静电电容器相比,具有循环寿命长、能量密度高、充放电效率高和能够瞬间释放大电流等优点。近年来已引起研究者的广泛关注。超级电容器的研究主要集中在高性能电极材料和电解质的制备上。本文采用了 XRD、SEM等测试方法研究物质的形貌和微观结构;循环伏安、恒流充放电和交流阻抗等实验方法研究电极的电化学性能。主要包括以下内容:以浓HNO3多壁碳纳米管（MWCNTs）进行表面改型处理,运用IR、SEM对制备的材料进行了形貌和结构分析,通过循环伏安、恒流充放电测试和交流阻抗研究了电极的电化学性能。结果表明,在2mol/LKOH电解液中电极表现出良好的电化学特性,其比电容达到32.4F/g。同时对聚丙烯腈（PAN）碳毡进行表面处理研究其电化学性能。以MWCNTs、KMnO4、MnSO4为主要原料采用简单的化学沉淀法制备出用于超级电容器的CNTs/MnO2复合电极材料。重点研究了原料配比和不同电解液对电极性能的影响。结果表明在2mol/LKOH溶液中,MnO2含量为20%时得到最大比电容为103 F/g以MnSO4和（NH4）2S2O8为主要原料,Fe（NO3）3为添加剂,采用水热法制备了菜花状MnO2。运用XRD.SEM对制备的MnO2进行了形貌和结构分析。通过循环伏安、恒流充放电测试和交流阻抗研究了 MnO2的电化学性能。结果表明,实验制备的MnO2为α型结构,所形成的菜花状结构直径约为700nm。在6mol·L-1 KOH电解液中0-0.4V（vsSCE）的电位范围内表现出良好的超级电容器性能,电流密度为100mA·g-1时,其比容达到176F·g-1采用化学共沉淀法制备了纳米Fe3O4,系统考察了 Fe3+/Fe2+的配比,反应pH值,熟化温度等对Fe3O4纳米粒子生成的影响,从而确定最佳反应条件。将纳米Fe3O4应用到超级电容器上,研究了其作为电容器电极材料的电化学性能。结果表明,在最佳反应条件下,制备出的纳米Fe3O4的晶体结构完整;经电化学性能测定,Fe3O4作为电极材料的工作电压为0.4V,在电流密度为1mA/cm2时比容量达24.3F/g。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1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
• 1.2.2 法拉第赝电容
• 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 导电聚合物复合材料
• 1.3.3 金属氧化物或水合氧化物及其复合材料
• 1.4 选题依据及主要研究内容
• 第2章 实验技术和仪器
• 2.1 材料的表征
• 2.1.1 X射线衍射技术（XRD）
• 2.1.2 扫描电子显微技术（SEM）
• 2.1.3 傅立叶变换红外光谱（FTIR）
• 2.2 电化学测量技术
• 2.2.1 循环伏安测试（cV）
• 2.2.2 交流阻抗测试（AC impedance）
• 2.2.3 充放电测试
• 2.3 本章小结
• 第3章 CNTs及碳毡的电化学性能研究
• 3.1 药品及实验设备
• 3.2 多孔碳纳米管电极材料的制备及表征
• 3.2.1 碳纳米管的预处理
• 3.2.2 碳纳米管的形貌及结构分析
• 3.3 多孔碳纳米管电极的制作及电化学性能研究
• 3.3.1 多孔碳纳米管电极的制作
• 3.3.2 碳纳米管电极电化学性能研究
• 3.4 多孔碳毡电极材料的制备
• 3.5 多孔碳毡电极的电化学性能研究
• 3.5.1 多孔碳毡电极的制作
• 3.5.2 电化学性能测试
• 3.6 本章小结
• 2复合电极的制备及性能研究'>第4章 CNTS/MnO₂复合电极的制备及性能研究
• 4.1 药品及实验设备
• 2复合电极材料的制备'>4.2 CNTS/MNO₂复合电极材料的制备
• 4.2.1 CNTs的预处理
• 2复合电极材料的制备'>4.2.2 CNTs/ MnO₂复合电极材料的制备
• 4.2.3 电极片的制作
• 4.2.4 电化学性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 MWCNTs羧基化机理
• 4.3.2 形貌表征
• 4.3.3 电化学性能测试
• 4.4 影响材料电化学性能的因素
• 4.4.1 电解液
• 4.4.2 不同配比
• 4.5 本章小结
• 2的制备及其超级电容性能研究'>第5章 新型纳米MnO₂的制备及其超级电容性能研究
• 5.1 药品及实验设备
• 5.2 材料的制备与表征
• 5.3 电极的制备与电化学测试
• 5.4 结果与讨论
• 2的结构分析'>5.4.1 MnO₂的结构分析
• 5.4.2 电极的电化学性能
• 5.5 本章小结
• 3O₄的制备及其超级电容性能研究'>第6章 纳米Fe₃O₄的制备及其超级电容性能研究
• 6.1 药品与实验设备
• 3O₄的制备'>6.2 纳米Fe₃O₄的制备
• 6.3 电极的制备与表征
• 6.4 结果与讨论
• 3O₄制备条件优化'>6.4.1 纳米Fe₃O₄制备条件优化
• 3O₄纳米粒子的表征'>6.4.2 Fe₃O₄纳米粒子的表征
• 3O₄纳米粒子的电化学性能测试'>6.4.3 Fe₃O₄纳米粒子的电化学性能测试
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文
• 致谢