碳基納米復合陣列材料的導向制備及其超電容性能研究.pdf

1、超級電容器因其功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬等性能優(yōu)勢，被認為是最具發(fā)展前景的能量存儲與轉(zhuǎn)換器件之一。但由于當前超級電容器的能量密度較低，這嚴重制約了其在實際中的應用。超級電容器的電極材料是決定其性能的關(guān)鍵，因此通過電極材料的優(yōu)化設計來提高超級電容器的能量密度等性能受到廣泛關(guān)注。碳材料和過渡金屬氧化物/氫氧化物是最主要的兩類超電容材料，其中碳材料的倍率和循環(huán)穩(wěn)定性好，但是比電容較低;而過渡金屬氧化物/氫氧化物的比電

2、容高，但由于較差的導電性，其倍率和循環(huán)穩(wěn)定性遠不能滿足實際需求。為了解決以上問題，將這兩類材料復合則能夠?qū)崿F(xiàn)功能互補，也是該領域研究的重點之一。但是如何通過合理的材料結(jié)構(gòu)設計與可控制備，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)規(guī)整、性能優(yōu)異的復合電極材料的構(gòu)筑仍是一個挑戰(zhàn)。
　　本論文工作針對上述問題，以一維納米棒陣列作為模板，分別導向構(gòu)筑了有序多孔碳層包覆的納米棒陣列和碳納米管包覆的納米棒陣列。并且以所制備的有序碳納米陣列為載體，采用電合成的方法成功實現(xiàn)了層狀

3、雙金屬氫氧化物(LDHs)在碳表面的高負載量包覆，制備了碳@LDHs核殼式納米陣列復合電極材料，并在超電容方面實現(xiàn)了功能的協(xié)同:碳材料作為導電通道，極大提升了LDHs的電子傳輸性能;而LDHs作為贗電容材料，提升了材料的比電容以及器件的能量密度，最終實現(xiàn)了復合材料的功能強化。進一步通過調(diào)控碳納米材料的形貌、石墨化程度，以及LDHs的包覆量等因素，對所制備復合材料的超級電容器性能進行了優(yōu)化設計，實現(xiàn)了高導電性、高負載量超電容電極的構(gòu)筑。本

4、論文工作為制備結(jié)構(gòu)有序、性能優(yōu)異的碳/過渡金屬氫氧化物復合電極材料做了有益的探索并提供了可行方案。具體的研究內(nèi)容如下:
　　(1)模板導向制備多孔碳基納米復合陣列材料及其超電容性能研究。首先利用水熱法在泡沫鎳上生長ZnO納米棒陣列，再通過犧牲模板法在其表面包覆以Zn2+為金屬離子節(jié)點，2-甲基咪唑為有機配體的金屬有機骨架材料（ZIF-8）。將ZIF-8在氮氣氣氛下高溫焙燒后，得到多孔碳包覆的納米棒陣列。進一步采用電合成方法將CoN

5、i-LDH一步包覆在碳層陣列上，得到結(jié)構(gòu)有序的ZnO@C@LDH核殼式納米棒陣列材料。通過改變焙燒溫度探究了碳層的形態(tài)、石墨化程度等對所制備電極材料性能的影響。發(fā)現(xiàn)當焙燒溫度為650℃時，ZnO@C具有高度石墨化碳層的同時，其結(jié)構(gòu)也能保持穩(wěn)定。高的石墨化程度能夠促使電子快速傳遞，使材料的導電性進一步提高。由于采用電化學的原位生長的方法將LDHs生長在微觀碳基底表面，碳和LDHs之間結(jié)合牢固，因此材料具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性。并且有序的多級結(jié)

6、構(gòu)，也使所制備的ZnO@C@LDH電極材料具有較大的電化學比表面積，保證其與電解質(zhì)溶液得到充分接觸，因此具有較好的倍率性能。此外，我們也將ZnO@ZIF-8前體浸泡在Fe(NO3)3·9H2O溶液中進行Zn2+、Fe3+離子置換后，再在氮氣氣氛下450℃進行焙燒得到Fe2O3@C核殼式納米棒陣列，并將其作為負極材料與所制備的ZnO@C@LDH正極材料組裝成柔性固態(tài)器件。所制備的柔性器件具有優(yōu)異的電化學儲能性能。
　　(2)原位催化

7、導向制備碳納米管基復合陣列材料及其超電容性能研究。首先在泡沫鎳上水熱合成Co3O4納米棒陣列，再利用ZIF-67（以Co2+為金屬離子節(jié)點，2-甲基咪唑為有機配體的金屬有機骨架材料）在氫氣氣氛下高溫熱解出的含碳氣體作為碳源，首次實現(xiàn)了在Co3O4表面原位催化生長碳納米管，得到了結(jié)構(gòu)有序的“樹枝狀”碳納米管陣列。探究了不同的焙燒溫度和時間對碳納米管生長的影響，并使碳納米管在長度和密度方面得到了精細調(diào)控。接著采用電合成方法將Co@CNTs與

8、LDHs結(jié)合，得到了Co@CNTs@LDH核殼式納米棒陣列。由于“樹枝狀”碳納米管陣列具有優(yōu)異導電性的同時保持了較大的比表面積，這使LDHs贗電容材料在單位面積載體上的負載量相比上一個體系有了進一步提高(由2.8mg cm-2到17.05mg cm-2)，因此所制備的碳@LDHs復合材料具有更大的能量密度(在充放電電流密度為2mAcm-2時，比容量由6.2578F cm-2增長到23.09F cm-2)。此外將ZIF-67高溫焙燒后得到