【摘 要】
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超级电容器(SCs)具有快速充电/放电能力、高输出功率和长循环稳定性,在能量储存领域具有广泛的应用前景。然而SCs固有的低能量密度难以满足各种电子产品不断增长的运行需求,这一问题严重阻碍了其应用。科研工作者们近年来致力于开发具有高能量密度的超级电容器,主要针对电极材料的形貌结构优化,提高比表面积以及选择恰当的电解质等方面进行研究。本论文采用水热法制备纳米氧化铬(Cr_2O_3)前驱体,研究了水热条
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超级电容器(SCs)具有快速充电/放电能力、高输出功率和长循环稳定性,在能量储存领域具有广泛的应用前景。然而SCs固有的低能量密度难以满足各种电子产品不断增长的运行需求,这一问题严重阻碍了其应用。科研工作者们近年来致力于开发具有高能量密度的超级电容器,主要针对电极材料的形貌结构优化,提高比表面积以及选择恰当的电解质等方面进行研究。本论文采用水热法制备纳米氧化铬(Cr2O3)前驱体,研究了水热条件对纳米Cr2O3的形貌和结构的影响;在氨气下氮化纳米Cr2O3制备纳米氮化铬(CrN)电极材料,并研究了其微观形貌和所使用的电解质对其电化学性能的影响。主要研究内容与结果如下:(1)研究水热合成制备纳米Cr2O3的水热条件(pH值、温度、时间)对Cr2O3的物相及形貌影响。结果表明在pH值9、水热温度170℃、水热时间3 h的工艺条件下制备出均匀分散的尺寸约50 nm的颗粒状纳米Cr2O3。(2)以颗粒状纳米Cr2O3为前驱体,制备了纳米CrN电极材料。研究了氮化温度和氮化时间对CrN形貌和结构的影响,并探索其电容特性及其电化学性能。研究表明,在氮化温度750℃,氮化时间5 h制备出了空壳颗粒状纳米CrN。测试其电容特性发现随着氮化时间延长,比电容先增加后降低。电化学性能测试发现氮化2 h的纳米CrN(含未氮化的Cr2O3)电极材料具有最高的比电容333.2 F/g(10 mV/s),且经5000次充放电循环后仍保持84.7%的初始电容。(3)以空壳颗粒状纳米CrN为电极材料,研究了水系电解质H2SO4、Na2SO4和KOH对其电化学性能的影响。研究表明,在酸性和中性电解质(1mol/L H2SO4、1mol/L Na2SO4)中电压窗口均为-0.20.8 V,在碱性电解质(1mol/L KOH)中电压窗口为-0.90.1V;电化学性能测试结果表明在碱性电解质中具有最大比电容142.9 F/g,而在中性和酸性电解质中仅72.4 F/g和92.5 F/g(10 mV/s)。(4)以不同形貌的Cr2O3(纳米片状、多孔球状、层状)为前驱体氮化制备出保有前驱体形貌的纳米片状、多孔球状、层状。在碱性电解质中研究了形貌对其电化学性能的影响,结果表明多孔球状CrN具有最高比电容213.2 F/g,纳米片状和层状CrN的比电容分别为82.4 F/g、126.7 F/g(10 mV/s)。本论文采用气-固反应法成功制备了特殊形貌的纳米CrN,具有优异的电化学性能,氮化2 h时获得的纳米CrN(含未氮化的Cr2O3)具有较纯Cr2O3和纯CrN更高的比电容,为过渡金属CrN在超级电容器中的应用提供了实验依据。
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