铁/钴基金属氧化物的制备及其电化学性能的研究

作     者：魏小亲 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张含卓

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 081704[工学-应用化学] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 070301[理学-无机化学] 

主      题：超级电容器 Fe3O4/RGO Co3O4/RGO CoO 泡沫镍 电化学性能测试 

摘      要：传统能源的日益枯竭,以及新能源汽车和便携式电子设备的快速发展,促使人们致力于开发各种高效的绿色能源存储技术。超级电容器由于能量密度高、循环寿命长、充放电速度快以及环保无污染等优点而备受关注。在已报道的超级电容器电极材料中,铁/钴氧化物由于较高的理论比电容而备受关注。但是铁/钴氧化物本身的导电性不高,在电化学反应过程中容易发生体积膨胀,导致结构发生破坏或从集流体上脱落等问题,使其比电容量发生快速衰减。通过铁/钴氧化物与石墨烯(RGO)复合或者直接在集流体上生长等方法,可以改善上述问题。本文通过不同的制备工艺获得了 Fe304/RGO、Co3O4/RGO以及在泡沫镍上原位生长的CoO三种材料,利用TEM、FE-SEM、XRD、XPS等技术进行了微观形貌和结构分析,用恒电流充放电(GCD)、循环伏安测试(CV)和电化学阻抗(EIS)等电化学测试技术系统测试其电化学性能。主要内容如下:(1)通过共沉淀方法在80℃温度下制备了 Fe3O4/RGO复合材料。Fe3O4的颗粒尺寸约为8-10 nm,与石墨烯复合之后形成独特的双尺度耦合结构,即数十个Fe3O4纳米粒子彼此靠近形成纳米团簇附着在石墨烯表面,各个粒子之间形成一定的空隙,有利于其电化学性能的提高。与Fe3O4纳米粒子相比,Fe304/RGO复合材料具有良好的比电容量和循环稳定性,在5 mV·s-1扫描速度下电容量为553 F·g-1。经过1000次充放电循环之后比电容仅衰减5.87%左右。(2)采用水热-热处理的方法合成了多孔纳米片状的Co3O4。将GO溶于甲醇作为反应溶剂,在同样的条件下获得了石墨烯包覆多孔Co304纳米片的独特结构,石墨烯含量约为24.17%。电化学测试结果表明,Co3O4/RGO的比电容最高可达980F·g-1,在电流密度为5 A·g-1下充放电2000次后依然有91.16%的比电容量。(3)利用水热法在泡沫镍(Ni-foam)基底上直接合成了具有三维有序纳米阵列结构CoO前驱体,并讨论了水热温度对CoO前驱体微观形貌的影响。CoO前驱体纳米片尺寸与纳米片阵列的厚度均随水热温度的增加而升高。350℃真空热处理之后,CoO前驱体转变为CoO,表面出现了大量纳米孔洞。考察CoO/Ni-foam的超级电容器性能发现,水热温度120℃下获得的CoO前驱体在热处理后具有更好的比电容量和循环稳定性。