金属氧化物包覆纳米碳纤维的电化学制备及超级电容性能

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作为一种新型储能装置,超级电容器在生产成本、循环寿命、功率密度以及环境友好等方面都有着很大的优越性。超级电容器是介于传统物理电容器和化学电池之间的一种储能器件,不仅容量比常规电容大几百倍甚至上千倍,而且功率密度比电池高上百倍,具有优良的脉冲式充放电性能以及大容量储能性能。电极材料是组成超级电容器的核心材料,对超级电容器的综合性能起到决定作用。廉价金属氧化物因其高比电容、成本低廉、制备工艺简单等优点,受到人们的重视,具有良好的发展前景。本论文对超级电容器及其电极材料的研究和发展现状进行了分析,利用静电纺丝及电化学沉积方法制备了Ni、Co、Mn等廉价金属的氧化物和氢氧化物包覆的纳米碳纤维,研究了其超级电容性能。主要研究内容包括：
　　⑴采用静电纺丝方法制备了前驱体聚丙烯腈(PAN)纳米纤维,经预氧化和碳化得到纳米碳纤维。在扫描电子显微镜下观察所制备的PAN纳米纤维直径在100nm左右,经预氧化和碳化处理后,所得到的纳米碳纤维直径介于50到70nm之间,表面形貌均匀。
　　⑵利用脉冲电化学沉积法在制备的纳米碳纤维表面分别包覆Ni(OH)2、Co(OH)2和MnO2。通过对Ni(OH)2和 Co(OH)2热处理获得了NiO和Co3O4包覆层。用 SEM、Raman、XRD、FT-IR等方法表征其微观形貌及成分结构,结果表明通过电化学沉积在纳米碳纤维表面所得到的沉积物分别是纳米纤维状MnO2、纳米片状α-Ni(OH)2和纳米片状α-Co(OH)2,热处理后α-Ni(OH)2和α-Co(OH)2分解为NiO和Co3O4。
　　⑶在2mol/L KOH电解液中测试样品的循环伏安、恒电流充放电及交流阻抗特性,所有氧化物及氢氧化物包覆都表现出明显的赝电容特征。在1A/g电流密度下充放电,Ni(OH)2和Co(OH)2包覆的纳米碳纤维最高比电容可达819F/g和375F/g,而氧化物MnO2、NiO和Co3O4包覆的纳米碳纤维在1A/g的最高比电容分别为391F/g、439F/g、528F/g。
　　⑷通过改变沉积时间制备了不同厚度的包覆层,测试了其形貌结构和电化学性能,研究了沉积时间对其超级电容性能的影响,确定了上述各包覆层3mA/cm2电流密度下的最佳沉积时间。

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作者
陈谷芳;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科材料物理与化学
授予学位硕士
导师姓名于杰;
年度 2012
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类材料结构及物理性质;
关键词
电极材料; 纳米碳纤维; 纤维包覆; 电化学沉积;

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