过渡金属氧化物基复合电极材料的制备及电化学性能研究.pdf

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1、•属氧化物基复合材料的制备及电研究Preparationandelcctrochemtcjilprotwrticsoftransitionmetaloxide^basedcompositemateriah5*祀帥陬焚她授级孕科：化学二级学料1无机化学研究芍向：超级电容霱东北师范大学学位评定委员会2015年3月学校代码：10200研究生学号：201010232分类号：061密级：无博士学位论文过渡金属氧化物基复合电极材料的制备及电化学性能研究Preparationandelectrochemicalpropertiesoftransitionmetaloxide-ba

2、sedcompositematerials作者：张莉指导教师：龚剑教授一级学科：化学二级学科：无机化学研究方向：超级电容器东北师范大学学位评定委员会2015年3月独创性声明木人郑直声明：所提交的学位论文是本人在汙帅指导下独立进彳j•研究工作所取灼的成果。据我所知T除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经妃灰或揹写过的研究成果。对木人的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文屮作了明确的说明。本声明的法律结栗由木人承扎U肀位论文作者鉴名：闩期:学位论文使用授权书本学位论文作者完个了解东北师范大学有乂保留、使用学位论文的规定，即：东北师范人学有权保留并向M家

3、奋关部门成机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以來闬影印、缩印成其它复制手段保冇、汇编本学位论文。rw洛油今：仿论寸泎解本f活坩太朽柯书）,学位沦文作者毕业后去向丄作单位：通讯地址：邮编摘要近年来，超级电容器（supercapacitor），由于其自身固有的优异特性，如高的功率密度、快速的充放电速率、长的使用寿命、容量大、低成本免维护以及环保经济等，吸引了人们的眼球，并引起了科研工作者的研究热潮。超级电容器所具有的这些特殊优点使得他们在许多领域有着潜在的应用前景，包括移动

4、电子设备，电动汽车，电动玩具，备用电源，仪器仪表等。然而，现在市面上商用的超级电容器主要是基于碳基材料，但它们的能量密度较低，这也成为其应用瓶颈。因此，开发具有高的功率密度和高能量密度的超级电容器材料势在必行。在各种电极材料中，过渡金属氧化物是最佳的选择，这是由于它们在电极/电解质界面可发生快速可逆的法拉第氧化还原反应。RuO2是一种非常好的赝电容材料，但由于其价格昂贵，很难得到广泛的应用。本论文，我们通过使用不同方法，包括水热法、原位聚合、化学浴沉积、和静电纺丝方法等，制备了二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）、和氧化镍（NiO）这几种价格便宜的过渡金属氧化物基

5、复合赝电容材料，并采用IR,XRD,SEM,TEM和EDX等表征手段对材料的结构、形貌及元素组成进行了分析。此外，利用电化学测试，包括恒电流充放电（GCD）、循环伏安（CV）以及电化学阻抗（EIS）等，研究了材料的电化学性能。主要工作如下：1.TiO2作为电极材料具有很高的化学稳定性，聚苯胺（PANI）纳米材料作为超级电容器材料有着很多优势，如高的导电性和电容，合成成本低等，但在充放电过程中体积变化大，导致其稳定性较差，本章节通过将水热方法和原位聚合方法结合，在FTO导电基底上制备了有序的TiO2@PANI核壳结构的复合纳米棒阵列，并研究了该复合赝电容材料的电化学性

6、能，复合之后的材料的性能较之单一的TiO2和聚苯胺，有了明显的提高,且稳定性也有很大提高。在1A/g的电流密度下，复合材料的赝电容数值高达820F/g,其相应的能量密度和功率密度分别为102.5wh/kg和4.62kW/kg。在1000次循环之后，电容保持率超过了85%，表现了良好的循环稳定性能。2.在不同的过渡金属氧化物中，二氧化猛（MnO2）和二氧化钛（TiO2）由于其成本低，毒性低等已被视为潜在的赝电容材料。MnO2具有很高的理论特定电容（1370F/g），然而，它的缺点是导电性低。与此相反，与二氧化锰相比，TiO2同时具有较高的导电性和电化学稳定性。本章我们

7、通过简单、低成本的水热法和高温煅烧过程，在FTO导电基底上制备了TiO2@MnO2核壳阵列复合物，通过改变水热反应中KMnO4的浓度，探讨了不同反应浓度下所制备的复合材料的形貌差别以及电化学性质的不同，结果表明，在高锰酸钾浓度为0.09M的条件下，所制备的复合材料的电化学性能效果最好，在5mV/s的扫速下，其赝电容达到了34.79mF/cm2。同时，我们对材料进行的充放电循环测试，在电流密度为0.2mA/cm2条件下，经过1000次循环后，其电容保持率达91%，证明了该材料具有高的循环寿命。3.TiO2纳米棒阵列在碱性电解质中具有很高的化学稳定性，并且通过水热方