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VO_x/CNT纳米复合材料的制备和结构性能研究

作　者: 胡思平
导　师: 朱泉峣
学　校: 武汉理工大学
专　业: 建筑材料与工程
关键词: 钒氧化物 碳纳米管 掺杂 纳米复合材料 电化学性能
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 87次
引　用: 1次
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内容摘要


能源是现代社会的生命线,温室效应、城市污染和有限的石油问题使得可持续能源的开发必须提上日程。因此,亟待研制出“电-能量-储存”体系以满足目前的需求。钒氧化物作为一种锂离子注入材料,在能源转化和储存方面有着潜在应用。本论文采用水热合成的方法制备出钒氧化物与碳纳米管(CNT)纳米复合材料,通过改变水热反应复合材料比例、时间和温度,研究纳米复合材料的结构和形貌,探讨了该复合材料形成机理。另外,通过对主体材料进行其它氧化物掺杂,研究了掺杂复合材料的电化学性能。主要研究内容和结果如下：采用溶胶-凝胶结合水热法合成了VOx/CNT纳米复合材料。当水热反应温度达到170℃以上才能得到稳定的VOx/CNT纳米复合材料。随着CNT的增加VOx晶体结构有序度降低；随着水热反应时间的增长,氧化钒物相从V2O5向V3O7转变。SEM及TEM图像表明VOx/CNT纳米复合材料具有交织互穿结构,其中氧化钒纳米线长度在几十微米左右,直径在100 nm左右,CNT的长度在儿微米左右,其直径为20-40 nm之间。复合材料的形成机理可以描述为：修饰处理后CNT上的羟基与羧基诱发了氧化钒溶胶粒子的自组装生长,并成核生长成一维纳米结构,当氧化钒纳米线尺度达到一定程度时发生脱离,从而形成了VOx与CNT相对独立,整体呈现交织的结构。分别对VOX/CNT体系进行MoO3和TiO2微量掺杂。发现微量的掺杂对纳米复合材料形貌结构特征改变不大。将VOx/CNT纳米复合材料作为电池的阴极,金属锂片作为参比和对电极,组装成纽扣电池时,其首次放电容量为331.3 mAh/g,50次后仍保持在187.1 mAh/g,充放电效率达到97.2%以上。MoO3掺杂VOx/CNT使复合材料的循环稳定性提高,首次放电容量为277.4 mAh/g,50次循环后为207.9 mAh/g,容量保持率提高了18.5%。TiO2掺杂VOx/CNT使复合材料的首次放电容量增高,并出现明显的充放电平台,首次放电容量为382 mAh/g,50次循环后,其放电容量达到127 mAh/g,首次放电容量比未掺杂材料提高了15.3%。另外研究了该纳米复合材料在超级电容器电极方面的应用。结果表明,VOx/CNT复合电极在LiNO3和NaNO3电解液中能表现出双电层电容和赝电容的双重特性,且LiNO3的电容量较高。在KNO3电解液中,未加入碳管的电极电位窗口即可达到(-0.2-0.8 V)的电位区间,只表现出赝电容形式。

全文目录


中文摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章 绪论  9-20
  1.1 引言  9-10
  1.2 氧化钒电极材料  10-12
    1.2.1 氧化钒纳米电极材料  10-11
    1.2.2 氧化钒复合电极材料  11-12
  1.3 氧化钒电极材料的应用  12-17
    1.3.1 锂离子电池电极  12-15
    1.3.2 超级电容器电极  15-17
  1.4 本文研究的目的、意义及主要内容  17-20
    1.4.1 研究目的和意义  17-19
    1.4.2 本论文的研究内容  19-20
第2章 VO_x/CNT及其掺杂纳米复合材料的制备  20-29
  2.1 实验药品和实验仪器  20-21
    2.1.1 实验原料  20-21
    2.1.2 实验仪器  21
  2.2 VO_x/CNT及其掺杂纳米复合材料的合成工艺  21-25
    2.2.1 VO_x/CNT纳米复合材料的合成  21-23
    2.2.2 MoO_3掺杂VO_x/CNT纳米复合材料的合成  23-24
    2.2.3 TiO_2掺杂VO_x/CNT纳米复合材料的合成  24-25
  2.3 结构与性能表征方法  25-29
    2.3.1 结构分析  25-26
    2.3.2 性能表征方法  26-29
第3章 VO_x/CNT及其掺杂纳米复合材料的结构特征  29-43
  3.1 VO_x/CNT纳米复合材料的结构特征  29-34
    3.1.1 XRD,FF-IR及XPS分析  30-32
    3.1.2 形貌分析  32-34
  3.2 形成机理分析  34-38
  3.3 掺杂VO_x/CNT及其纳米复合材料的结构特征  38-43
    3.3.1 XRD及XPS分析  39-41
    3.3.2 形貌分析  41-43
第4章 VO_x/CNT体系纳米复合材料的电化学性能研究  43-57
  4.1 VO_x/CNT纳米复合材料的电化学性能研究  43-45
    4.1.1 循环伏安性能  43-44
    4.1.2 电池性能测试  44-45
    4.1.3 阻抗分析  45
  4.2 MoO_3掺杂VO_x/CNT纳米复合材料的电化学性能研究  45-48
    4.2.1 循环伏安性能  46
    4.2.2 电池性能测试  46-47
    4.2.3 阻抗分析  47-48
  4.3 YiO_2掺杂VO_x/CNT纳米复合材料的电化学性能研究  48-51
    4.3.1 循环伏安性能  49
    4.3.2 电池性能测试  49-50
    4.3.3 阻抗分析  50-51
  4.4 VO_x/CNT纳米复合材料在超级电容器中应用的初步探讨  51-57
    4.4.1 循环伏安性能  51-53
    4.4.2 电容器性能测试  53-57
第5章 结论  57-59
参考文献  59-66
硕士期间发表论文和申请专利及参加会议情况  66-67
致谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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