钴酸铜/脱氮氮化碳复合材料的制备及其超级电容器性能研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:deboywang126
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不同于电池,超级电容器充放电快速安全、功率密度高、循环稳定性好,唯一缺陷是能量密度低。目前主流的做法是引入理论容量高的电池型材料,并将其与碳材料组合为非对称电容器来扩大电压视窗。钴酸铜理论容量高、电化学活性好、来源丰富、廉价、环境友好,是最具应用前景的过渡族金属氧化物(TMOs)之一,然而与传统氧化物相同,其低导电率和较差的循环稳定性均严重限制了实际表现,因此如何提升它的性能和稳定性成为核心问题。基于此背景,本文以钴酸铜/脱氮氮化碳复合物(Cu Co2O4/DN-C3N4)为研究对象,研究不同因素对形貌和性能的影响,并探索对其二次改性的可能。主要研究内容如下:(1)以铜钴硝酸盐和石墨相氮化碳(g-C3N4)为原料,通过一种省时且高效的制备工艺,制备了类似于核壳结构的Cu Co2O4/DN-C3N4复合物。在空气焙烧中,生成的Cu Co2O4对g-C3N4具有脱氮的催化效果,使其从半导体变为导电的DN-C3N4并在Cu Co2O4颗粒表面包裹上一层薄膜,同样对Cu Co2O4起到了分散作用。该制备方法巧妙地结合了碳系材料和双金属氧化物二者的优势,基于此设计,该复合物表现出良好的电化学性能:在1 A·g-1的电流密度下,比电容为653 F·g-1;20A·g-1时的比电容为480 F·g-1,保留率为73%。同时,还将其与负极材料活性炭(AC)组成纽扣式非对称超级电容器(ASC),在800 W·kg-1的功率密度下能量密度高达47.6 Wh·kg-1,且在5 A·g-1下循环5000圈后比电容保持率高达93.5%。(2)在该复合物的基础上,本文对其做了二次硫化改性,并将负载量扩大了一倍。通过控制硫源种类、硫源量和水热时间,发现三者对复合物形貌均有显著影响,且硫脲改性效果最佳。硫化复合物在1 A·g-1下,最高比电容为518 F·g-1,高于Cu Co2O4/DN-C3N4在相同负载量下的320 F·g-1,说明金属硫化物较氧化物性能更优;在20 A·g-1的比电容为274 F·g-1,保留率为53%。本文的制备过程简单高效,融合了碳系材料和双金属氧化物二者的优势,不仅提高了Cu Co2O4的比电容,还控制了形貌,在超级电容器应用上表现出优异性能,在获得一种良好的电极材料的同时,还展示了规模化制备这类复合材料的全新工艺。
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