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硫化钴/镍钴氢氧化物复合材料的制备及电化学性能研究

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目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2.1 超级电容器的结构

1.2.2 超级电容器的储能机理及其分类

1.3.1 双电层电容器电极材料

1.3.2 法拉第赝电容电极材料

1.4.1 金属有机框架概述

1.4.2 沸石咪唑类金属有机框架

1.4.3 ZIFs及其衍生物在超级电容器领域的研究进展

1.5 课题研究的目的及主要内容

第2章 实验材料与方法

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 纳米材料的制备方法

2.2.1 钴基沸石类金属有机框架ZIF-67的制备

2.2.2 CoSx纳米材料的制备

2.2.3 Ni-Co LDH纳米材料的制备

2.2.4 CoSx/Ni-Co LDH纳米材料的制备

2.3 纳米材料的表征方法

2.3.1 扫描电镜表征

2.3.2 透射电镜表征

2.3.3 X-射线衍射分析

2.3.4 X-射线能谱分析

2.3.5 ICP发射光谱仪分析

2.3.6 X-射线光电子能谱分析

2.3.7 比表面积和孔径分布分析

2.3.8 红外吸收光谱分析

2.4.1 工作电极的制备及测试条件

2.4.2 电化学性能测试

2.5.1 混合型超级电容器的组装方法

2.5.2 混合型超级电容器的电化学性能测试

第3章 CoSx/Ni-Co LDH纳米材料的制备研究

3.1 引言

3.2 金属有机框架ZIF-67的制备

3.3 CoSx纳米材料的制备研究

3.3.1 硫源投加量对材料形貌及性能的影响

3.3.2 反应温度对材料形貌及性能的影响

3.4 Ni-Co LDH纳米材料的制备研究

3.4.1 镍源投加量对材料形貌及性能的影响

3.5 CoSx/Ni-Co LDH纳米复合材料的制备研究

3.5.1 硫源投加量对CoSx/Ni-Co LDH的影响

3.5.2 镍源投加量对CoSx/Ni-Co LDH的影响

3.5.3 硫化温度对CoSx/Ni-Co LDH的影响

3.5.4 硫化时间对CoSx/Ni-Co LDH的影响

3.6.1 扫描电镜表征

3.6.2 透射电镜表征

3.6.3 X-射线衍射表征

3.6.4 X-射线能谱表征

3.6.5 ICP发射光谱仪分析

3.6.6 X-射线光电子能谱表征

3.6.7 比表面积和孔径分布表征

3.6.8 傅里叶红外光谱表征

3.7 CoSx/Ni-Co LDH纳米复合材料的合成机理

3.8 本章小结

第4章 CoSx/Ni-Co LDH复合材料的电化学性能研究

4.1 引言

4.2.1 循环伏安性能分析

4.2.2 恒流充放电性能分析

4.2.3 循环稳定性能分析

4.2.4 电化学阻抗性能分析

4.3 CoSx/Ni-Co LDH纳米复合材料的电化学机理分析

4.4 本章小结

第5章 混合型超级电容器的电化学性能研究

5.1 引言

5.2.1 电位窗口分析

5.2.2 循环伏安性能分析

5.2.3 恒流充放电性能分析

5.2.4 循环稳定性能分析

5.2.5 能量-功率密度分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

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摘要

近年来,层状双金属氢氧化物由于其独特的二维层状结构和高比电容等优势,作为超级电容器的电极材料而受到广泛关注。但其较差的导电性以及结构的不稳定性导致其在高倍率多循环使用条件下受到限制。而相较于金属氢氧化物,金属硫化物具有更优异的导电性以及结构稳定性。本课题采用结构稳定的沸石咪唑类钴基金属有机框架(ZIF-67)作为前驱体及模板,制备硫化钴/镍钴双金属氢氧化物(CoSx/Ni-Co LDH)复合材料,实现材料组成、结构的可控合成,并充分利用两种化合物间的协同互补效应,获得电化学性能优异的超级电容器电极材料。 (1)首先采用简单的化学沉淀法制备前驱体及模板ZIF-67,使用硫代乙酰胺对其进行部分硫化,再加入硝酸镍与剩余ZIF-67发生刻蚀沉淀反应,最终制得CoSx/Ni-Co LDH复合材料。作为对比,以ZIF-67作为前驱体,分别制备了单一组分的硫化钴和镍钴氢氧化物纳米材料。对制备的材料进行表征,结果表明:所制备的CoSx/Ni-Co LDH复合材料具有由薄纳米片组装而成的空心菱形十二面体形貌,这种独特的多级结构使CoSx/Ni-Co LDH复合材料较纯相的硫化钴和镍钴氢氧化物具有更高的比表面积、更大的孔隙率以及更稳定的结构。此外,还探究了不同反应参数对CoSx/Ni-Co LDH复合材料形貌及电化学性能的影响,得到CoSx/Ni-Co LDH复合材料制备的最佳条件:硫代乙酰胺投加量为0.13mmol、硝酸镍投加量为0.86mmol、硫化温度为80℃、硫化时间为1h、反应溶剂为乙醇。 (2)对CoSx/Ni-Co LDH复合材料的电化学性能进行探究,电化学测试结果表明,CoSx/Ni-Co LDH复合材料在1A g-1电流密度下的比电容可以达到1562F g-1,即使在20A g-1电流密度下,仍然具有1022F g-1的比电容,具有较好的倍率性能。为进一步探究合成出的CoSx/Ni-Co LDH纳米复合材料的实际应用潜力,采用CoSx/Ni-Co LDH复合材料作为正极材料,活性炭(Active Carbon,AC)为负极材料,组装成混合型超级电容器(Hybrid Supercapacitor,HSC),并对其进行电化学性能测试。测试结果表明,所组装的HSC具有较大的电位窗口(0-1.6V)、较高的能量密度(在功率密度为800W kg-1时,能量密度可以达到35.8Wh kg-1,当功率密度高达8014W kg-1时,能量密度仍有11.13W h kg-1)以及优异的循环稳定性(在5A g-1电流密度下循环10000次后,比电容保持率为94.56%)。

著录项

  • 作者

    黄莫寒;

  • 作者单位

    东北电力大学;

  • 授予单位 东北电力大学;
  • 学科 环境工程
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 关晓辉;
  • 年度 2019
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 TQ1;
  • 关键词

    硫化钴; 氢氧化; 物复合材料; 制备; 电化学;

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