离子扩散法制备氧化钌基纳米材料及其性能研究

作     者：郝晓婷 

作者单位：北京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张强

授予年度：2016年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：超级电容器 离子扩散法 离子交换膜 RuO2·nH2O纳米材料 GO/RuO2·nH2O复合材料 电化学性能 

摘      要：作为超级电容器电极材料,Ru02在H2SO4电解质中的循环伏安曲线类似于碳材料,呈现出良好的导电性、高度电化学反应可逆性、较高的比电容等优点。此外,氧化钌材料所储存的能量大于碳材料,其循环寿命也比碳材料和导电聚合物长,从上世纪70年代开始,无定型态和结晶态两种形态的Ru02都是最值得研究的超级电容器电极材料。但因为钌金属的成本比较高,近年来国内外掀起了研究氧化钌复合材料作为超级电容器电极材料的高潮。本论文创新地采用离子交换膜控制离子迁移速率的离子扩散法制备了氧化钌纳米材料以及其复合材料,结合多种表征手段考察了材料的形貌、结构以及形成过程,并对其作为超级电容器电极材料的电化学性能进行了研究。主要内容如下：(1)在纯水溶液中,常压的条件下,以RuCl3·nH2O溶液和NaOH溶液为反应物,成功地制备了氧化钌纳米材料。研究发现,RuO2·nH2O内米材料的结构和性能与锻烧温度密切相关。扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、能量色散X射线光谱(EDX)、热重-差热分析(TG-DTA)、X射线光电子能谱(XPS)和BET比表面测量等手段对材料的形貌、结构及组成等进行了表征分析,结果表明,随着煅烧温度的升高,RuO2·nH2O纳米粒子由无定型逐渐向金红石晶体转变;粒径逐渐变大,直至发生烧结现象(600℃以上);BET比表面逐渐减小,40℃烘干的样品比表面高达110.37 m2/g。将RuO2·nH2O内米材料应用于超级电容器电极材料,测试其电容器性能,在2 mV/s扫描速率下,1.0M H2SO4的电解质中,150℃下煅烧的RuO2·nH2O纳米材料得到最高的比电容,为673.37 F/g。(2)室温条件下,以1.5 M RuCl3·nH2O溶液和4.0 M NaOH溶液为反应物,加入阴阳离子高分子表面活性剂作为晶体生长调节剂,制备了纳米RuO2·nH2O。通过SEM、TEM、XRD、EDX等手段考察了不同浓度、不同种类的表面活性剂对晶体形貌、结构及性能的影响。结果发现,表面活性剂的加入对RuO2·nH2O纳米粒子团聚现象的改善不大,但颗粒尺寸有所减小,特别是加入1.0 g/L甲基丙烯酸-苯乙烯共聚物钠盐(DS36)。但与未添加DS36体系制备的RuO2·nH2O相比,加入DS36制备的RuO2·nH2O比电容值有所下降,从460 F/g减小到408.48 F/g。与450℃煅烧未加表面活性剂制备的RuO2·nH2O纳米粒子相比,添加1.0 g/L DS36制备的RuO2·nH2O纳米粒子在450℃煅烧后电容值要略高,且比较稳定。(3)常温常压条件下,以1.5M RuCl3·nH2O溶液和4.0 M NaOH溶液为反应物,在氧化石墨烯(GO)溶液中,成功地制得了GO/RuO2·nH2O纳米复合材料,通过SEM、 TEM、XRD、XPS等手段对材料的形貌、结构及成分等进行表征分析,并对不同GO浓度条件下制备的GO/RuO2·nH2O复合材料进行了电化学性能测试。结果显示,随着GO浓度的增大,产物GO/RuO2·nH2O纳米粒子的分散性明显提高,颗粒尺寸在15nm左右。当GO浓度为0.01 g/L时,GO/RuO2·n2O复合材料的电化学性能最好,比电容值为549.77 F/g,比相同条件下制得的单纯的RuO2·nH2O纳米材料高,而且稳定性比较好。