基于超級電容器用的四氧化三鈷的形貌可控制備及性能研究.pdf

1、論文綜述了超級電容器的特點、應(yīng)用和電極材料的最新研究進(jìn)展，同時也對Co3O4的形貌可控與性能應(yīng)用等方面進(jìn)行了全面綜述，研究了基于超級電容器用的四氧化三鈷的形貌可控制備及性能。論文的主要內(nèi)容如下：
　　 (1)RuO2具有高的比容量，但高昂的價格限制了它在超級電容器中的應(yīng)用。通過噴霧法首次制備了具有不同RuO2含量的RuO2/Co3O4復(fù)合薄膜，并將其用于超級電容器中，以降低RuO2的用量。研究表明：在充放電電流密度為0.2 A

2、g-1時，純Co3O4、15.5％RuO2復(fù)合物、35.6％RuO2復(fù)合物和62.3％RuO2復(fù)合物的比電容分別為394±8，453±9，520±1.0和690±1_4 F g-1。其中62.3％RuO2復(fù)合物的比電容值與文獻(xiàn)報道的純RuO2(720 F g-1)相接近，降低了RuO2的用量。比較研究發(fā)現(xiàn)：在各種電流密度下，62.3％RuO2復(fù)合物具有最大比電容；35.6％RuO2復(fù)合物不僅在電流密度為0.5，1.0，1.5和2.0 A

3、 g-1時具有最大的來自RuO2貢獻(xiàn)的比電容(CRuO2 sp)，而且當(dāng)電流密度從0.2增大到2.0 Ag-1時具有最高的比電容保持率(46.3±2.8％)。在充放電電流密度為0.2Ag-1時，62.3％RuO2復(fù)合物中來自RuO2貢獻(xiàn)的比電容值為869±23 Fg-1，高于文獻(xiàn)報道的純RuO2的比電容值(720 F g-1)。
　　 (2)孔狀過渡金屬氧化物由于具有好的電容性能而用作超級電容器電極材料。然而，研究者僅合成單一孔

4、徑的電極材料。與單一孔徑的材料相比，多級孔狀材料，由于通過材料的質(zhì)量傳輸特性的提高和保持細(xì)孔的比表面積，其性能有所改善。論文首次通過聚苯乙烯膠態(tài)球和聚乙二醇作模板制備了介孔/大孔Co3O4超級電容器電極材料。為了比較研究，在相同情況下，制備了無孔Co3O4和介孔Co3O4電極。研究表明：在各種電流密度下，介孔/大孔Co3O4電極比無孔Co3O4和介孔Co3O4電極的比電容都大。在電流密度為0.2 A g-1時，介孔/大孔Co3O4電極的

5、比電容為453 F g-1，是目前孔狀Co3O4超級電容器材料中最高比電容值。另外，當(dāng)電流密度由0.2增加到1.0 A g-1時，介孔/大孔Co3O4電極具有最大的比電容保持率，這說明了介孔/大孔Co3O4電極更適合高速充放電。本研究還提供了一種簡單而有效的方法制備用于超級電容電極材料的介孔/大孔過渡金屬氧化物。
　　 (3)粉末狀Co3O4超級電容器材料在制備電極材料過程中須與導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合在一起。絕緣的粘結(jié)劑的使用會導(dǎo)致

6、電極材料內(nèi)部電阻的增加。論文通過化學(xué)沉積法制備了Co3O4薄膜。SEM顯示Co3O4薄膜由像球形一樣的粗糙表面粒子組成，并且在粒子中存在孔狀結(jié)構(gòu)。電化學(xué)研究表明：在電流密度為0.2 A g-1時，Co3O4薄膜具有最大的比電容值為227 F g-1，這個值大于噴霧沉積法制備的Co3O4薄膜比電容值(74 F g-1)和連續(xù)的離子層吸附與反應(yīng)法制備的Co3O4薄膜比電容值(165 F g-1)。當(dāng)電流密度增加到1.4 A g-1時，其比電

7、容值為152 F g-1。當(dāng)電流密度由0.2增加到1.4 A g-1，比電容保持率為67％。與其他方法相比，該方法具有成本低，反應(yīng)條件溫和和能沉積大面積薄膜。
　　 (4)考慮到化學(xué)浴沉積法制備的Co3O4薄膜用于超級電容器材料時，在大電流密度下的比電容保持率不高，尚需進(jìn)一步提高。采用了電沉積法制備了Co(OH)2薄膜，然后煅燒Co(OH)2薄膜制備了Co3O4薄膜，并對其電容性能進(jìn)行了研究。研究表明：在電流密度為0.2A g-

8、1時，Co(OH)2薄膜電極，200℃和300℃煅燒Co(OH)2后所得Co3O4薄膜電極的比電容值分別為153.4，150.4和129.1 F g-1。當(dāng)電流密度從0.2增加到1.0A g-1時，三種薄膜電極的比電容保持率大于97％；當(dāng)電流密度增加到2.0 A g-1時，三種薄膜電極中比電容保持率最低值大于88％。這些數(shù)值遠(yuǎn)大于化學(xué)浴沉積Co3O4薄膜的電容保持率(67％)。
　　 (5)以葡萄糖為前驅(qū)物，采用水熱法合成了膠態(tài)

9、碳球，然后利用膠態(tài)碳球制備了多層包覆的新型復(fù)合材料--Co3O4/CoO/Co/石墨材料。此復(fù)合材料與其他研究者采用類似方法制備的物質(zhì)相比具有完全不同的結(jié)構(gòu)，它們是由多層不同物質(zhì)組成的球形結(jié)構(gòu)，其最外層是Co3O4，第二層是CoO，第三層是Co，最里面一層是石墨。采用循環(huán)伏安和恒電流充放電等方法對Co3O4/CoO/Co/石墨的電化學(xué)性能進(jìn)行了測試。研究表明：該材料的電容行為是由氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第贗電容和雙電層電容組成，其比電容