过渡金属化合物/多孔碳复合材料在超级电容器中的应用

作     者：赵凯 

作者单位：青岛大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘敬权;刘震

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：多孔碳 过渡金属化合物 复合材料 电极材料 超级电容器 

摘      要：过渡金属化合物电极材料已成为超级电容器领域的研究热点之一,但大多存在制备方法复杂、结构容易坍塌和导电性差等问题,亟需合适的材料负载过渡金属化合物电极材料。在现行主流的电极材料中,多孔碳基材料具有导电性良好、比表面积大和化学稳定性优异等优点。然而由于纯多孔碳材料的储能性能较差,通常使其与过渡金属材料或非金属元素复合,得到储能性能协同增强的过渡金属化合物/多孔碳复合材料。因此,本文主要探究过渡金属化合物/多孔碳复合材料的制备及其在超级电容器储能中的应用,具体如下:首先,通过水热反应在以生物质壳聚糖为原料获得的高度石墨化的氮自掺杂多孔碳气凝胶(HPCA)基底上生长镍钴层状双氢氧化物(Ni Co-LDH)纳米片,应用于超级电容器正极材料。高电导率、大比表面积的多孔碳骨架为电子和离子快速传输带来了大量的活性位点和通道,并且可以控制Ni Co-LDH纳米片的生长形态。结果表明,与其他电极材料相比,优化后的Ni Co-LDH/HPCA复合材料具有优异的电化学性能,有望充分发挥高性能储能器件的应用优势。其次,基于金属-有机框架材料(MOF)的电极材料正成为超级电容器的正极材料的研究热点。我们以生物质壳聚糖粉末和钴盐为原料,依次采用溶胶-凝胶法、冷冻干燥法和碳化法制备了纳米钴改性氮自掺杂多孔碳气凝胶(CCA-Co)基底,然后通过溶剂热反应在基底生长Co掺杂Ni-MOF(Co-Ni MOF)微花获得了分层复合材料(CCA-Co@MOF)。碳化壳聚糖气凝胶(CCA)中钴纳米颗粒的存在不仅促进了CCA和MOF的自组装,而且刻蚀的钴离子可以参与MOF的生长,从而获得优异的电化学性能。此外,使用CCA-Co@MOF和活性碳(AC)电极组装的非对称超级电容器(CCA-Co@MOF//AC ASC)具有很高的能量密度(431.7 W kg时为45.9 Wh kg)。本工作突出了金属纳米粒子修饰和碳化壳聚糖气凝胶用于MOF生长的优点,展示了其在电化学储能领域的巨大价值。最后,我们采用煅烧法和溶剂热法制备了互联纳米多孔碳/镍钴层状双氢氧化物复合材料(INPC/Ni Co-LDH)。首先在以葡萄糖为碳源经模板法获得的互联纳米多孔碳(INPC)表面沉积2-甲基咪唑钴盐(ZIF-67)纳米颗粒,然后通过控制离子刻蚀和共沉积原位生长Ni Co-LDH纳米片获得INPC/Ni Co-LDH复合材料。所制备的INPC/Ni Co-LDH复合材料具有较高的质量电容(0.5 A g时为1712 F g)、良好的速率性能和循环性能(循环5000次后为86.1%)。组装的INPC/Ni Co-LDH//INPC非对称超级电容器(ASC)具有优异的电容性能(0.5 A g时为115.9 F g)和高的能量密度(400 W kg时为41.2 Wh kg)。三个预制的全固态INPC/Ni Co-LDH//INPC ASCs串联后可以成功点亮一个小灯泡,显示出在现实生活中的潜在应用。