棉织物基柔性电极的设计、制备及其电化学性能研究

作     者：王卫潇 

作者单位：信阳师范学院 

学位级别：硕士

导师姓名：陆阳

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：可穿戴超级电容器 析氧反应 棉织物 CoNi-LDH MXene 

摘      要：随着社会的迅速发展,人们对高效的电化学能源存储和转换装置的需求日益增加,新型电极材料的结构设计也在不断推进。所以,目前所选用的电极材料不仅要表现出优异的电化学性能,而且要具有良好的可裁剪性、机械稳定性和环境友好性。本论文使用棉织物作为柔性电极基底材料,通过对其表面进行电化学修饰,显著地改善了电极的电化学性能,具体研究工作如下:(1)通过原位聚合法和电化学沉积法在化妆棉(CPs)表面先后生长聚吡咯(PPy)和二氧化锰(MnO)超薄纳米片,成功地制备了PCPs@MnO复合电极材料。其中PPy层不仅提高了CPs的导电性,而且提供了大量的电化学活性位点。因此,基于PCPs@MnO电极材料的可穿戴超级电容器表现出了优异的电化学性能。在电流密度为1 mA cm时,器件的面积比电容高达1.21 F cm。并且,经过5000次多倍率循环充放电后,面积比电容仍然可以保持88%。(2)利用溶液法在PCPs表面生长金属有机骨架化合物(ZIF-67)阵列,随后通过离子交换/刻蚀的方法将ZIF-67阵列转化成中空的钴镍层状双金属氢氧化物(CoNi-LDH)阵列,成功合成了马铃薯状的CoNi-LDH@PCPs复合材料。实验和理论计算表明:Ni掺杂可以修饰电子结构,改善电化学过程中去质子化/质子化的反应过程。因此,基于CoNi-LDH@PCPs复合电极的可穿戴超级电容器在功率密度为0.8 KW kg时,能量密度高达86.05 Wh kg。并且,经过5000次循环充放电后,该器件的比电容仍然保持了初始值的93%。此外,本研究中的马铃薯状CoNi-LDH@PCPs复合材料可同时作为析氧反应(OER)电催化剂。在电流密度为10 mA cm时,该电催化剂具有较低的过电位(350 mV)和较小的塔菲尔斜率(58 mV dec),表现出优异的电催化活性。(3)为了进一步改善电极的机械稳定性,我们将片状碳化钛(MXene)包覆在CPs表面,随后生长中空的CoNi-LDH阵列,并利用MXene再次封装,成功制得了帐篷状的MXene/CoNi-LDH/MXene-CPs复合电极材料。实验结果证明,MXene的加入不仅缩短了离子的扩散距离,也减缓了CoNi-LDH在充放电过程中的体积变化。在电流密度为1 A g时,MXene/CoNi-LDH/MXene-CPs电极的比电容高达1684 F g。此外,MXene/CoNi-LDH/MXene-CPs电极作为OER电催化剂也可以表现出优异的电催化活性。在电流密度为10 mA cm时,该电催化剂的过电位仅有297 mV。