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二氧化钛及碳纳米管基复合电极材料的电化学电容

作　者: 何宽新
导　师: 张校刚
学　校: 新疆大学
专　业: 物理化学
关键词: 超级电容器复合电极材料比容量 TiO2纳米管碳纳米管
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

目前,许多对于超级电容器的研究工作都是围绕开发在某种电解液中具有较高比能量的电极材料而展开的。应用于超级电容器的电极材料主要有三种:碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。碳材料是基于碳电极/电解液界面电荷分离所产生的双电层电容,一般比容量较小,但是近来发现碳纳米管、碳微球等具有特殊纳米结构和超强稳定性的碳材料在超电容复合材料的应用中具有巨大潜力,因此成为目前科学研究和商业应用的热点之一。导电聚合物材料虽具有较好的电容行为,但其较差的稳定性限制了它的应用。过渡金属氧化物是利用氧化还原反应获得准电容并进行能量存储,一般比容量较大,其中属贵金属氧化物最为突出。贵金属氧化物(如RuO2)虽然性能优异,且已在航天、军事等领域应用,但其昂贵的价格限制了它的民用商品化。因此寻找价格低廉、环境友好且具有较高比容量的过渡金属氧化物成为目前超级电容器的研究热点之一。本论文共分为三大部分:第一章综述了超级电容器的储存机理、特点、应用范围等,并介绍了碳基材料、金属氧化物材料和导电聚合物电极材料以及混合电容器的最新研究进展,其中重点介绍了过渡金属氧化物材料的研究现状及发展方向。最后提出了自己对超级电容器电极材料的研究设想和方法。第二章介绍了基于TiO2纳米管复合电极材料的制备及其电化学性能研究,由三部分组成: 1、利用化学共沉淀法制备了不同质量比的二氧化锰和TiO2纳米管的复合电极材料。利用循环伏安、交流阻抗以及恒流充放电等测试手段对其进行了测试,结果表明当α-MnO2·nH2O与TiO2纳米管的质量比为6:4时,复合电极材料具有最好的电化学电容行为。2、基于第一节所制备的α-MnO2·nH2O/TiO2纳米管复合电极材料,研究了化学掺杂不同质量的Co或Ni的α-MnO2·nH2O/TiO2纳米管复合电极材料。电化学测试结果显示,化学掺杂的种类与配比对复合电极材料的电化学性能影响很大,适量掺杂Co的复合电极材料比未掺杂或掺杂Ni的复合电极材料具有更好的循环性能和电容性能。3、利用化学共沉淀法制得了Me双氢氧化物(Me=Co+Ni)/TiO2纳米管的复合电极材料。电化学测试结果表明TiO2纳米管的加入促进了Me双氢氧化物(Me=Co+Ni)的分散,提高了Me双氢氧化物(Me=Co+Ni)的活性利用率,从而改善了电极材料的电容性能,比容量高达1053 F/g,其大小可以与RuO2的比容量相比较。第三章介绍了基于碳纳米管(CNT)薄膜复合电极材料的电化学电容行为,分为四部分:1、利用电泳沉积法,制备了碳纳米管薄膜/泡沫镍基底,然后在该基底上利用电化学沉积法制备了氧化镍/碳纳米管薄膜(NiOx/CNT)复合电极材料。通过电化学测试,发现氧化镍/碳纳米管薄膜复合电极材料具有十分优异的电化学电容性质,促成这一结果原因可能是作为基底的碳纳米管薄膜具有较高的比表面积、较高的导电性、以及具有三维纳米孔道结构等优点造成的。2、利用电沉积方法制备了氢氧化钴/碳纳米管薄膜复合电极材料。通过电化学测试研究发现,氢氧化钴/碳纳米管薄膜复合电极材料具有十分优异的电化学电容性质。3、研究了氧化钴/碳纳米管薄膜(CoOx/CNT)复合电极材料作为正极材料活性炭作为负极材料的混合电容器的电化学性质。结果表明,混合电容器在0.5~1.5V的电位区间内具有十分优异的电化学性质,并且循环寿命非常好。4、采用电化学沉积法在不同摩尔比例的Ni/Co电沉积溶液中制备了钴、镍混合氧化物/碳纳米管薄膜((Ni+Co)Ox/CNT)复合电极材料。电化学测试结果表明,该复合电极具有十分优异的电化学电容性质。同时发现该复合电极材料的性质和电沉积液中Co2+/Ni2+的摩尔比例有很大关系,当Co2+/Ni2+的摩尔比例在6:4和4:6的范围之内时,复合物电极具有较好的电化学电容行为。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-10
第一章绪论  10-26
  1.1 引言  10-11
  1.2 超级电容器的发展概述  11-12
  1.3 电化学电容器与物理电容器、电池的性能比较  12-14
  1.4 双电层电容器  14-16
    1.4.1 双电层电容器的基本原理  14-15
    1.4.2 双电层电容器的研发现状  15-16
  1.5 法拉第准电容电容器  16-18
    1.5.1 法拉第准电容电容器原理  16-17
    1.5.2 超级电容器的结构  17-18
  1.6 超级电容器电极材料的研究进展  18-24
    1.6.1 金属氧化物电极电容器  18-22
      1.6.1.1 MnO_2 基电极材料  19-20
      1.6.1.2 NiO_x 材料  20-21
      1.6.1.3 CoO_x 材料  21-22
    1.6.2 聚合物电极电容器  22-23
    1.6.3 混合电化学电容器的研究  23-24
  1.7 电化学电容器的应用和发展方向  24-25
  1.8 本论文的研究设想与研究目的  25-26
第二章基于 TiO_2纳米管复合材料的电容行为  26-45
  第一节 α-MnO_2·nH_2O/TiO_2纳米管复合材料的电容行为  26-33
    2.1.1 实验  26-27
      2.1.1.1 试剂与仪器  26
      2.1.1.2 二氧化钛纳米管的制备  26
      2.1.1.3 α-MnO_2·nH_2O/TiO_2纳米管复合材料的制备  26-27
      2.1.1.4 电化学性能的测试  27
    2.1.2 结果与讨论  27-32
      2.1.2.1 电极材料的结构和形貌分析  27-29
      2.1.2.2 循环伏安测试  29-30
      2.1.2.3 充放电测试  30-32
    2.1.3 结论  32-33
  第二节 Co、Ni 的掺杂对α-MnO_2·nH_2O/TiO_2纳米管复合材料电化学行为的影响  33-38
    2.2.1 实验  33-34
      2.2.1.1 试剂与仪器  33
      2.2.1.2 二氧化钛纳米管的制备  33
      2.2.1.3 掺Co 或Ni 的α-MnO_2·nH_2O/TiO_2纳米管复合材料的制备  33
      2.2.1.4 电化学性能的测试  33-34
    2.2.2 结果与讨论  34-37
      2.2.2.1 掺Co对α-MnO_2·nH_2O/TiO_2纳米管复合电极电化学行为的影响  34-36
      2.2.2.2 掺Ni对α-MnO_2·nH_2O电极电化学行为的影响  36-37
    2.2.3 结论  37-38
  第三节 Me 双氢氧化物（Me=Co+Ni）/TiO_2纳米管复合材料的制备及其电化学电容特性  38-45
    2.3.1 实验  38-39
      2.3.1.1 试剂与仪器  38
      2.3.1.2 二氧化钛纳米管的制备  38
      2.3.1.3 Me 双氢氧化物（Me=Co+Ni）/TiO_2纳米管复合材料的制备  38
      2.3.1.4 电化学性能的测试  38-39
    2.3.2 结果与讨论  39-44
      2.3.2.1 电极材料的结构和形貌分析  39-40
      2.3.2.2 循环伏安测试  40-41
      2.3.2.3 充放电测试  41-43
      2.3.2.4 交流阻抗测试  43-44
    2.3.3 结论  44-45
第三章基于碳纳米管(CNT)薄膜复合材料的电容行为  45-77
  第一节氧化镍/碳纳米管薄膜复合电极的电容行为  45-53
    3.1.1 实验部分  45-47
      3.1.1.1 试剂与仪器  45
      3.1.1.2 碳纳米管和泡沫镍的处理  45
      3.1.1.3 碳纳米管薄膜/泡沫镍基底的制备  45-46
      3.1.1.4 氧化镍/碳纳米管薄膜复合材料的制备  46-47
      3.1.1.5 电化学性能的测试  47
    3.1.2 结果与讨论  47-52
      3.1.2.1 电极材料的结构和形貌分析  47-49
      3.1.2.2 循环伏安测试  49-51
      3.1.2.3 交流阻抗测试  51-52
    3.1.3 结论  52-53
  第二节氢氧化钴/碳纳米管薄膜复合电极的电容行为  53-59
    3.2.1 实验部分  53-54
      3.2.1.1 试剂与仪器  53
      3.2.1.2 碳纳米管薄膜/泡沫镍基底的制备  53
      3.2.1.3 氢氧化钴/碳纳米管薄膜复合材料的制备  53-54
      3.2.1.4 电化学性能的测试  54
    3.2.2 结果与讨论  54-58
      3.2.2.1 电极材料的结构和形貌分析  54-55
      3.2.2.2 循环伏安测试  55-56
      3.2.2.3 充放电测试  56-58
      3.2.2.4 交流阻抗测试  58
    3.2.3 结论  58-59
  第三节氧化钴/碳纳米管薄膜复合材料和活性炭组成混合电容器的研究  59-67
    3.3.1 实验部分  59-60
      3.3.1.1 试剂与仪器  59
      3.3.1.2 碳纳米管薄膜/泡沫镍基底的制备  59
      3.3.1.3 氧化钴/碳纳米管薄膜复合材料的制备  59-60
      3.3.1.4 电化学性能的测试  60
    3.3.2 结果与讨论  60-66
      3.3.2.1 电极材料的结构和形貌分析  60-62
      3.3.2.2 循环伏安测试  62-63
      3.3.2.3 充放电测试  63
      3.3.2.4 混合电容器电化学测试  63-66
    3.3.3 结论  66-67
  第四节钴、镍混合氧化物/碳纳米管薄膜复合材料的制备及电容行为  67-77
    3.4.1 实验部分  67-68
      3.4.1.1 试剂与仪器  67
      3.4.1.2 碳纳米管薄膜/泡沫镍基底的制备  67
      3.4.1.3 钴、镍混和氧化物/碳纳米管薄膜复合材料的制备  67-68
      3.4.1.4 电化学性能的测试  68
    3.4.2 结果与讨论  68-76
      3.4.2.1 电极材料的结构和形貌分析  68-71
      3.4.2.2 电化学测试  71-76
    3.4.3 结论  76-77
参考文献  77-89
在读期间发表论文清单  89-90
致谢  90-91
学位论文独创性声明  91
学位论文知识产权权属声明  91

二氧化钛及碳纳米管基复合电极材料的电化学电容

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