多级结构氧化镍超级电容器电极材料的研究

论文摘要

过渡金属氧化物因其多样的价电子结构,丰富的物理和化学性质,以及在光电、催化、磁性以及超级电容器等领域的应用成为当今研究的热点。以获得具有特定尺寸、维度、单分散和大比表面积的多级和多孔结构过渡金属氧化物为目标,设计新合成工艺,探索其生长机制为研究内容,深入系统地研究了多级、多孔结构过渡金属氧化物结构与性能的关系,进一步实现了纳米材料的组装,建立功能纳米材料的特殊结构,并进行了电化学的实际应用研究。本论文就多级和多孔结构过渡金属氧化物NiO纳米材料的控制合成及其电化学性质进行了研究,对晶体生长机理、材料的形貌尺寸等与电化学性能之间的关系进行了探索。发展了稀土镧掺杂与硬模板法相结合合成多孔NiO微球的新方法,通过设计合理的反应条件和掺杂比例,实现了多孔结构NiO的构筑,调控模板去除条件,合成了空心结构NiO微球,并验证了镧掺杂与多种NiO形貌形成的相关性。基于纳米颗粒组装的多孔微球以及其孔道相通的特殊性,对其制备的电极的比容量和可逆性进行了研究,研究表明镧的掺杂改变了晶体的生长习性,使得产物粒径有所缩小,同时,得到的多孔道微球大大增加子电解液与活性物质之间的接触面积,增大了活性物质NiO的利用率,促进了电解液离子在NiO中的传输和扩散,降低了离子传输阻力,同时为电子传输提供了良好的导电通道,对以上材料电化学性质的研究为稀土掺杂改性过渡金属氧化物在纳米器件上的潜在应用提供了实验依据。建立了形貌控制剂柠檬酸钠辅助均相沉淀合成方法,通过选用适量的柠檬酸钠和不同溶剂体系,获得了一系列多级和多孔结构的NiO微纳米结构,研究了晶体结构与生长行为的相关性。重点考察了柠檬酸钠在多孔片层形成过程中的作用,对晶体基元组装成多级结构NiO纳米微球的生长机制分析,表明当α-Ni（OH）2层间插入大量的C6H5O73-后,由于屏蔽作用导致层间的氢键键能降低,最终形成了柔韧性良好,片层较薄的纳米片,经过定向排列后,形成了α-Ni（OH）2层间插有C6H5O73-的微球,煅烧处理后,得到了基于多孔片组装的多级NiO微球。利用以上电极活性物质的结构特点,电极1000次循环后表现出良好的容量稳定性和较低的电极阻抗,是一种优良的超级电容器电极材料。在柠檬酸钠辅助体系中,通过探索溶剂效应,利用夹层模板法合成了多孔壳层的空心核壳结构NiO微球,对产物的SEM和TEM测试表明,NiO微球是壳与核之间存在空隙的典型空心核壳结构,通过对比不同反应时间制备的样品形貌可知,各种正烷基醇的烷基链和柠檬酸根的离子偶极作用是形成此结构的关键,不同烷基链长度（甲醇、丙醇和丁醇）,会影响离子偶极作用力,导致核壳空心结构被破坏。此外,通过对乙醇为溶剂制备的空心核壳NiO微球的电化学测试表明,电极表现出良好的电容特性,长循环后库伦效率达到95%以上。设计了单分散多级花状NiO金属镍网基底原位生长体系,探索了氨水的用量,金属基底种类,煅烧氛围和沉积时间等对产物结构和电化学性能的影响。基于产物的多孔特性以及原位生长的结构稳定性,将其用于超级电容器电极材料,表现出良好的电容性能,特别是3000次大电流充放电测试后电极表现出良好的稳定性。当选用微波反应体系后,通过调控微波反应时间和镍盐种类,得了纳米三角片和纳米纤维等一系列基本结构单元,及其组装的花状和多级中空结构NiO微球,由于微波的高加热速率,能够增加反应效率和反应热点,使得短时间内产生更多的Ni（OH）2结晶,以及粒径小,规整性强的NiO结构,并表现出良好的电化学性能,这为简易方法制备独特多孔道多级结构金属氧化物电极材料打下了 一定的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超级电容器的研究
• 1.1.1 能量存储体系简介
• 1.1.2 超级电容器特点及应用
• 1.1.3 超级电容器分类及工作原理
• 1.2 超级电容器电极材料的研究
• 1.2.1 过渡金属氧化物
• 1.2.2 碳基材料
• 1.2.3 导电聚合物材料
• 1.2.4 影响电极材料性能的主要因素
• 1.3 本论文研究的意义及主要研究内容
• 1.3.1 论文研究意义
• 1.3.2 论文研究主要内容
• 第2章 实验材料及表征方法
• 2.1 主要实验仪器
• 2.2 主要实验试剂
• 2.3 材料的制备
• 2.3.1 多孔La/NiO微球的水热法合成
• 2.3.2 多级结构NiO的均相沉淀法合成
• 2.3.3 金属基底表面花状NiO/Ni的合成
• 2.3.4 电极的制备
• 2.4 材料的表征方法
• 2.4.1 X射线衍射（XRD）
• 2.4.2 扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS）
• 2.4.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2吸脱附测试'>2.4.4 N₂吸脱附测试
• 2.4.5 电化学测试
• 2.5 本章小结
• 第3章 镧掺杂多孔NiO微球的微观结构对电化学性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 La/NiO微球的制备及电化学测试方法
• 3.3 La/NiO微球的表征及电化学性能测试
• 3.3.1 La/NiO微球的晶型结构表征
• 3.3.2 La/NiO微球的元素价态分析
• 3.3.3 La/NiO前躯体的结构形貌表征
• 3.3.4 La/NiO微球的结构形貌表征
• 3.3.5 La/NiO微球的比表面积测试
• 3.3.6 La/NiO微球的电化学性能测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 柠檬酸钠辅助合成微纳米结构NiO及电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 多级结构纳米NiO电极材料的电化学性能研究
• 4.2.1 多级结构NiO的制备及电化学测试方法
• 4.2.2 多级结构NiO的表征及电化学性能测试
• 4.3 多孔核壳空心结构NiO微球电极材料的电化学性能研究
• 4.3.1 核壳空心结构NiO的制备及电化学测试方法
• 4.3.2 核壳空心结构NiO的表征及电化学性能测试
• 4.4 本章小结
• 第5章 金属基底原位生长多级结构NiO及性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 液相沉积法简易生长多级花状NiO
• 5.2.1 金属网基底的前处理
• 5.2.2 样品的制备及电化学测试方法
• 5.2.3 多级花状NiO的表征及电化学性能测试
• 5.3 微波辅助生长多级结构NiO微球
• 5.3.1 样品的制备及电化学测试方法
• 5.3.2 多级中空结构NiO微球的表征和电化学性能测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢