铁基氧化物纳米复合材料的制备及其电化学性能研究

来源 :哈尔滨师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:suyu_001
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超级电容器,因其作为储能器件时的高功率密度、高循环稳定性以及快速充放电的特性,在新一代储能器件中,有很高的性能优势。而且,相比较目前的储能器件而言,超级电容器在设计中所使用的材料以及电解液具有环境友好、无污染的优点,并且拥有更长的循环寿命,可多次重复利用,因而其作为一种高性能可持续发展能源储存装置,拥有非常高的研究和应用价值。因此,超级电容器在新一代储能器件中具有极大潜力。众所周知,电极材料是影响超级电容器性能的重要因素。在超级电容器材料中,过渡金属氧化物纳米材料因其优异的储能机理而具有更高的比电容,同时此类材料具有比较高的比表面积,更进一步提升了其电化学储能性能,因此过渡金属氧化物作为一类高性能储能材料而受到关注。其中,铁基氧化物因其拥有很高的理论比电容、低成本以及其绿色环保性质而成为我们研究的课题。然而,过渡金属氧化物导电性较差,这大大限制了其作为电化学储能器件的广泛应用,尤其是在高电流密度下工作时的应用。因此,我们为了提高材料的导电性而选择了一维纳米柔性材料构筑导电通路,提升电子在材料中的传导速率,并在接下来的工作中进一步设计并制备了铁基纳米复合材料,即与多孔碳纤维复合或在其表面负载氢氧化物,以进一步提升材料的电化学性能。所有材料在进行结构表征以及电化学性能的测试后,进行了非对称超级电容器的组装,并且对组装器件进行了电化学性能的测试。结果表明所组装的非对称超级电容器具有优异的性能。在经过全方面研究后,所制备的材料形貌与性能能够很好相互印证,并且其作为非对称超电储能器件的性能与应用也得到了研究,表明材料具有较高的应用前景。  具体研究内容:通过静电纺丝法制备一维柔性Fe2O3纳米纤维,表征其结构,并进行电化学性能测试。表征及测试的结果表明:Fe2O3柔性纳米纤维被成功合成,并且将Fe2O3柔性纳米纤维直接作为电极材料测试,研究结果表明,Fe2O3柔性电极具有较高的比容量,当扫描速度为2mV·s-1时其比电容可以达到255F·g-1。为了进一步验证Fe2O3柔性纳米纤维优异的电化学性能,同样采用静电纺丝法制备V2O5柔性纳米纤维,进而以Fe2O3柔性纳米纤维为负极,以V2O5柔性纳米纤维为正极组装非对称超级电容器。结果表明,所制备的非对称超级电容器具有较高的能量密度,在功率密度为128.7W·kg-1时其能量密度可达到32.2Wh·kg-1。并且,在经过2000圈连续循环测试后,依然保持初始容量的97%,证明其优异的循环稳定性。因此该非对称超级电容器具有很好的应用潜力。  采用静电纺丝法制备一维多孔碳纤维(PCF),进而采用水热法在其表面负载了FeOOH纳米簇,对其结构进行表征,并进行电化学性能研究。通过各项测试结果表明,通过静电纺丝制备的碳纤维具有多孔结构。另外,FeOOH以纳米簇形貌均匀地生长在多孔碳纤维表面。通过对其进行电化学测试发现,FeOOH@PCF复合材料在2mV·s-1的扫描速度下其比电容达到了506F·g-1,相比纯FeOOH在相同扫描速度下的比电容(462F·g-1),有了明显的提升,并且其倍率性能表现有了明显的优化(由14.2%提高到54.3%)。在100mV·s-1扫速下经过5000圈连续循环之后其比容量仍保持98%,表现出完美的循环稳定性。综上所述,复合材料中多孔碳纤维在提高材料导电性的同时,也提升了电极整体的电化学性能。  采用静电纺丝法制备一维CoFe2O4纳米管,进而采用水热法在其表面负载Ni(OH)2纳米线。所得到的Ni(OH)2@CoFe2O4复合材料具有较高的比表面积与导电性能,经过电化学测试表明,Ni(OH)2@CoFe2O4复合材料在1Ag-1时其比电容达到了736F g-1,相比于纯Ni(OH)2(630F·g-1)、CoFe2O4电极显著提高(125.2F·g-1)。将前面制备的FeOOH@PCF复合材料作为负极Ni(OH)2@CoFe2O4复合材料作为正极,二者组装为非对称超级电容器,表现出优异的储能性能,在功率密度为4.1kW·kg-1时其能量密度可以达到76.2Wh·kg-1。同时具有良好的循环寿命,在100mV·s-1扫速下经过5000圈连续循环之后其比容量仍保持为初始容量的90%。综合以上性能,表明该非对称超级电容器具有良好的应用前景。
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