CoAl-層狀雙金屬氫氧化物復合材料的制備及其在超級電容器中的應用.pdf

1、能源危機與環(huán)境污染是21世紀面臨的兩大難題，在這種背景下超級電容器作為新一代的能源儲存裝置由于具有循環(huán)壽命長、充電速度快、功率密度高、綠色環(huán)保等優(yōu)點而備受關注，而作為主要決定超級電容器性能的電極材料也因此成為重要的研究熱點。目前報道的超級電容器電極材料主要有過渡金屬基氧化物/氫氧化物/硫化物、聚合物、碳材料等。近年來，層狀雙金屬氫氧化物(LDH)由于具有獨特的層狀結構及性質(zhì)，使其在催化、吸附、分子篩、超級電容器等諸多領域顯示了其廣闊的應

2、用前景。特別是在超級電容器上的應用，因為其獨特的層狀結構，使其可以同時發(fā)揮雙電層與贗電容兩種性質(zhì)的電容量，從而獲得相對較高的電容量。盡管如此，單一的LDH電極材料在能量密度上依然無法滿足超級電容器高比電容量的要求，因此近年來的研究重點更側(cè)重于其復合材料的研究，包括與導電性良好的材料進行復合以及與具有贗電容性質(zhì)的材料進行核殼結構的構建。本文正是基于以上兩方面來研究LDH基復合材料以及其電化學性能。
　　采用剝離重堆積方法制備CoAl

3、-層狀雙金屬氫氧化物/還原氧化石墨烯復合材料(CAN-LDH-NS/rGO)。首先在氮氣保護下，一步共沉淀法合成層間硝酸根的CoAl-LDH(CAN-LDH)。然后將其剝離開來，形成帶正電荷的CAN-LDH納米片(CAN-LDH-NS)懸濁液，并與帶負電荷的還原氧化石墨烯(rGO)進行自組裝形成CAN-LDH-NS/rGO復合材料。采用X射線衍射(XRD)、紅外光譜(FTIR)、透射電鏡(TEM)、拉曼光譜(Raman)、掃描電鏡(SE

4、M)和比表面積(BET)測試等表征手段對所制備材料的形貌以及結構進行了分析。采用電化學工作站和LAND電池系統(tǒng)對電極材料進行電化學性能測試。結果表明，所制備CAN-LDH-NS/rGO復合材料在1Ag-1電流密度下，比電容達到1296Fg-1，比純的CAN-LDH高(682Fg-1)。此外，CAN-LDH-NS/rGO復合材料在15Ag-1的大電流密度下，經(jīng)過1000次循環(huán)，其比電容量依然維持在90.5％，表明所制備復合材料具有良好的循

5、環(huán)穩(wěn)定性能。優(yōu)異的電化學性能離不開rGO高的導電性以及高的比表面積，因為這可以為CAN-LDH的氧化還原過程提供快速的電荷轉(zhuǎn)移以及離子擴散速率。
　　兩步法直接在泡沫鎳基體上負載CoAl-層狀雙金屬氫氧化物/還原氧化石墨烯復合凝膠(CoAl-LDH/rGO-gel/Ni)。首先，采用一種簡單的方法在泡沫鎳基體形成還原氧化石墨烯(rGO)凝膠，即rGO-gel/Ni，然后運用電沉積技術將CoAl-LDH納米片負載到rGO-gel/N

6、i凝膠中，形成復合凝膠(CoAl-LDH/rGO-gel/Ni)。采用XRD、Raman、TEM和SEM等手段對所制備材料進行結構以及形貌表征。電化學性能測試結果表明，CoAl-LDH/rGO-gel/Ni復合凝膠在2mA cm-2電流密度下，比電容達到0.95F cm-2(1262Fg-1)，而純的CoAl-LDH/Ni只有0.40Fcm-2(538.2Fg-1)。比電容的提高可以歸功于石墨烯凝膠的高比表面積可以提供豐富的氧化還原活性

7、位點，以及高的導電率可以提供更快的電荷轉(zhuǎn)移速率。此外，基于組裝的活性炭的不對稱電容器也顯示了其優(yōu)異的電化學性能，在2mA cm-2電流密度下，電容值達到90.4F g-1，能量密度達到32.14Wh kg-1。在10mA cm-2電流密度下，經(jīng)過2000次循環(huán)后，電容量依舊保持了98.05%，說明其優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　采用模板協(xié)助電沉積方法制備NiP@CoAl-LDH納米空心管陣列(NiP@CoAl-LDH NTAs)。首先采

8、用水熱方法將氧化鋅納米棒(ZnO NRAs)負載在泡沫鎳上，然后運用電沉積方法將NiP沉積在氧化鋅表面，并用3M NaOH將ZnO溶解掉，形成NiP空心納米管陣列(NiP NTAs)，最后運用電沉積方法將CoAl-LDH納米片負載NiP NTAs上形成NiP@CoAl-LDH NTAs。運用XRD、XPS、TEM和SEM等手段對所制備材料進行結構以及形貌表征。電化學性能測試結果表明，NiP@CoAl-LDH NTAs在1mA cm-2電

9、流密度下，電容值達到1.33F cm-2(1112F g-1)，在20mA cm-2電流密度下，電容量依舊保持了74.1%，比純的NiP NTAs與CoAl-LDH都要高。優(yōu)異的電化學性能離不開NiP@CoAl-LDH空心納米管陣列的存在，以及NiP與CoAl-LDH良好的贗電容性質(zhì)。通過對活性炭基不對稱電容器進行電化學性能測試，結果表明，所組裝的不對稱超級電容器在2mA cm-2電流密度下，電容值達到97.53F g-1，在功率密度為