泡沫镍原位生长金属氧/硫化物材料的制备及超电性能研究

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作为一种新型的能量储存设备,超级电容器迫切需要具有高性能的电极材料,以满足未来电化学能源应用的需求。金属氧/硫化物具有独特的物理和化学性质以及超高的比电容(通常是碳基材料的数倍),还显示出优异的氧化还原可逆性,出色的导电性和丰富的活性反应位点等特性,因此是目前被广泛研究的理想电极材料。然而,较差的倍率性能和循环稳定性阻碍了这些电极在耗能设备中的应用。基于以上考虑,本文简述了超级电容器的储能机理以及各类电极材料的研究现状,重点介绍了金属氧/硫化物电极材料在超级电容器中的应用进展。通过形貌调控、表面修饰和杂原子掺杂等手段制备出具有高容量和良好循环性能的超级电容器正极材料,总结了微观结构、物相组成和电子导电性对提升电化学性能的规律。主要的工作内容及成果如下:1、以泡沫镍为导电基底,利用水热-热分解法原位生长Co3O4多孔纳米材料。通过调节表面活性剂的种类,获得了具有多种微观结构的Co3O4电极。相对于纳米棒和蜂窝状结构,使用十二烷基硫酸钠合成出来的三维花状Co3O4材料,可以提供较大的比表面积和快速的离子传输速率。通过对其进行形貌结构和元素组成等表征分析发现,焙烧温度为400℃下制备的花状Co3O4电极,具有更加稳定的结构,有利于增强其电化学稳定性。结果表明,所制备的Co3O4-400电极在1 A g-1下,显示了1150 F g-1的超高比容量。在5000圈循环后,Co3O4-400电极的剩余电容量保持在初始值的74%以上。不仅如此,当功率密度为813 W kg-1时,Co3O4//AC柔性器件最大的能量密度为30 W h kg-1。2、以导电泡沫镍为基底,采用简便的两步水热反应合成了多孔Co3S4@Ni3S4异质纳米花阵列材料。通过控制硫化过程中的阴离子交换和Ostwald成熟反应,制备了一种Ni3S4纳米微粒均匀分散在Co3S4纳米花骨架上的特殊结构。由于异质组分间存在显著的协同作用,Co3S4@Ni3S4-2h电极表现出优异的导电性和出色的电容量。结果表明,异质结构的Co3S4@Ni3S4-2h电极在1 A g-1下,展示了2817 F g-1的高比电容,并且具有良好的倍率能力。另外,当功率密度为799.7 W kg-1时,Co3S4@Ni3S4-2h//AC柔性非对称超级电容器的最大能量密度为54.2 W h kg-1,优于一些由其他硫化物或氧化物组装而成的混合超级电容器。3、以上述合成的Co3S4@Ni3S4纳米材料为前驱体,在管式炉中进行磷化反应,获得了磷掺杂的花状异质Co3S4@Ni3S4复合材料。不出所料,P-Co3S4@Ni3S4电极具有高效的离子/电子迁移通道和优异的氧化还原活性。在2 M KOH碱性电解质中,P-Co3S4@Ni3S4电极在1 A g-1下,展现了3614 F g-1的超高比容量。另外,当功率密度为800 W kg-1时,P-Co3S4@Ni3S4-175//AC器件最大的能量密度为72 W h kg-1。这些结果表明,所制备的P-Co3S4@Ni3S4-175是一种极具前景的储能材料。
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