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铋基氧化物的制备和电化学性能研究

铋基氧化物的制备和电化学性能研究

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作者：杨元宇山西师范大学

学位级别：硕士

超级电容器因具有快速的充放电速率、高的比容量及长的循环使用寿命等优良性能而被广泛深入的研究。相结构对诸如导电性和化学稳定性等各种性质影响深远,但是材料的空间结构对电化学性能调控的研究是匮乏的。因此合成新的具有确定结构... 详细信息

超级电容器因具有快速的充放电速率、高的比容量及长的循环使用寿命等优良性能而被广泛深入的研究。相结构对诸如导电性和化学稳定性等各种性质影响深远,但是材料的空间结构对电化学性能调控的研究是匮乏的。因此合成新的具有确定结构的电极材料,理解结构对赝电容机理的影响是至关重要的。本论文通过合成新的铋基氧化物并探讨研究其电化学性能,并从本征相结构尝试改善超级电容器电化学性能。本文研究的主要工作内容分为以下两部分:(1)合成PbBiVO的两种晶型结构即α-和β-相PbBiVO,并进行结构和电化学表征。两种晶相结构均由BiO多面体、PbO多面体、VO四面体基本单元通过不同连接形成三维框架,但它们基本单元的排列差异导致β-PbBiVO具有更优的电化学性能。三斜相α-PbBiVO中是Z字形[BiPbO]链,而单斜相β-PbBiVO中包含[BiO]和[PbO]链,两者都由VO四面体桥接扩展成3D结构。β-PbBiVO比电容高达303 F g(在0.5 A g的电流密度下),比α-PbBiVO高出23%。理论计算和实验表明,β-PbBiVO的带隙为2.70 eV,比α相窄约0.25eV。尤其是主要暴露晶面(011面)的带隙窄至0.02 eV,几乎成为导体。理论计算显示具有1D[BiO]结构链的β-PbBiVO不仅拥有更优的导电性,而且更有利于电荷传输和活性Bi原子的暴露。优选出的5 wt%石墨烯和β-PbBiVO的复合材料最大比电容为342.5 F g,即使在1000次循环后,循环稳定性仍接近87.6%。用该复合材料构建的对称型超级电容器能为3 V的白色发光二极管(LED)提供电能,而且功率密度为802.5 W kg时,能量密度可达10.7 W h kg。(2)上述研究显示,铋原子合适的结构排列对提高电化学性能是有利的。基于此,高温水热法合成新的多铋化合物BiVO。BiVO由BiO和BiO多面体和VO四面体自组装成三维框架。BiO和BiO多面体通过共边和共顶点构成一个类似于石墨烯层的2D层,二维层由VO四面体共用氧原子连接成三维结构。将BiVO粉末分散在碳布上,研究了不同葡萄糖浓度和退火温度对材料电化学性能的影响,优选出在葡萄糖浓度为0.1 mol L,退火温度为400℃时,BiVO发挥出最佳的电化学性能,比电容达到710 F g,可用于构建柔性电池。

关键词：铋基金属氧化物多晶结构超级电容器

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