自支撑镍基纳米阵列的制备及其超级电容器的应用

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超级电容器因具有循环寿命长和功率密度高等特点而成为材料与能源领域的研究热点。其中,电极材料作为超级电容器的关键组成部分,无疑是决定整个器件性能的一个非常重要的方面。因此,开发具有优良电化学性能的新型储能电极材料对超级电容器的实际应用起着重要作用。镍基材料具有热化学稳定性好、电化学活性高、成本低的特点,因此,其作为高性能赝电容器电极材料具有很大的应用前景。由于赝电容器依靠快速的法拉第反应来储存电荷,它们要求电极材料具有较高的导电性,以便在这些反应发生时实现快速的电荷转移。然而,镍基化合物如氢氧化物/硫化物/磷化物等半导体的固有导电性低,导致其实际容量较低。为了克服上述问题,本论文制备了一系列性能优异的自支撑镍基纳米阵列材料,并将其应用于超级电容器。主要研究内容如下:(1)通过一步水热法在泡沫镍基底上成功制备了自支撑海胆状Ni3S2纳米颗粒。所获得的Ni3S2同时拥有多级结构和自支撑结构的优点。使用该样品为正极,活性炭为负极构建非对称超级电容器时,该器件在电流密度为2 mA cm-2的情况下,其面积电容为1.26 F cm-2。此外,该装置可点亮8个红色发光二极管。(2)通过两步水热法及气相磷化在泡沫镍上合成了以Ni2P为主要成分的复合材料Ni2P@Carbon纳米线。研究发现在水热过程中使用的PVP的平均分子量和磷化温度对最终产物的形貌和电化学性能具有显著影响。结果表明,使用PVP-10k合成并在300℃磷化的Ni2P@Carbon纳米复合材料组装的非对称超级电容器,在2 mA cm-2的电流密度下,电容可达3.7 F cm-2。在150 W kg-1的功率密度下,该器件能量密度高达122.8 Wh kg-1。此外,它还具有轻松为16个红色发光二极管供电的能力,因而十分具有应用价值。(3)通过一种简便的电沉积方法首先在泡沫镍上合成前驱体金属NiCo,然后进行气相磷化,得到一种表面形成纳米棱锥阵列的自支撑NiCoP样品。以该自支撑NiCoP为活性材料组装的非对称超级电容器在2 mA cm-2下电容可达10.3 F cm-2。在25 mA cm-2的电流密度下循环3000圈后,电容保留率几乎为100%。
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