二元金属氧化物和硫化物的结构调控及电化学性能研究

作     者：魏金鹤 

作者单位：吉林化工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：韩丹丹

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 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：二维过渡金属化合物 双金属氧化物 双金属硫化物 混合型超级电容器 高能量密度 

摘      要：近年来,超级电容器被认为是具有优异储能特性的器件之一,由于其本身所具有的高功率和长循环寿命等优点,在解决全球范围内的储能问题方面具有重要价值。二元金属氧化物和硫化物作为一类重要的电极材料被广泛应用于超级电容器,因其具有较高的理论比容量,被证明是较有前途的电化学活性材料之一。然而,目前报道的二元金属氧化物和硫化物电极材料由于化学稳定性差、倍率性低等缺陷限制了其广泛应用。针对这一问题,本文对二元金属氧化物和硫化物材料进行了结构调控,从制备特殊形貌、调控氧缺陷和设计异质结等方面优化电极电化学性能,并组装了混合型超级电容器,对其性能进行评价。具体工作如下:(1)通过简单的水热法在泡沫镍(NF)上制备了具有独特的一维(1D)和二维(2D)混合纳米结构的Ni CoO超级电容器电极材料。由于其独特的多维结构,使Ni CoO具有更多的活性位点和孔隙率,导致其电化学性能的提高。优化后的Ni CoO电极具有较低的电荷转移电阻(0.32Ω)和在电流密度0.5 A·g时拥有高达450 F·g的比电容,以及139.6%的循环稳定性。Ni CoO电化学储能性能的提高证明了二元金属氧化物在电化学储能领域的应用潜力。(2)通过溶剂热法和化学还原法制备了含有氧缺陷的Ni CoO纳米片(V-Ni CoO-4)。所制备具有氧空位的纳米片具有较大的比表面积和丰富的活性位点。后进行密度泛函理论(DFT)计算,发现更多的电子可以从价带跃迁到导带,使其具有优良的导电性。在电流密度1 A·g下,该电极的比容量高达751.7 m Ah·g,此外,组装的超级电容器在功率密度为241.5 W·kg时能量密度可达57.1 Wh·kg。循环10000次后,电容保持率可达91.9%。说明了该工作为精细调控电子构型和反应动力学奠定了基础。(3)通过溶剂法和电沉积法制备金属有机骨架(MOFs)衍生花瓣状高比容CoO@Co NiS核壳异质结构。MOFs衍生的金属氧化物作为骨架具有较大的比表面积孔隙,有利于界面传输和电解质扩散。同时独特的核-壳结构具有的协同增效作用能够明显增强复合材料的电化学性能,在电流密度1 A·g下,具有高达244.4 m Ah·g的比容量和在电流密度16 A·g时具有81.3%的倍率性能。此外,组装的CoO@Co NiS//AC超级电容器在功率密度为884.4 W·kg时能量密度可达55.6 Wh·kg。充放电循环10000次后,电容保持率高达86%,证实该工作为高性能超级电容器电极的制备开辟了一条新途径。