Co3O4、Co(OH)2和MoS2的可控制备及其在超级电容器中的应用

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超级电容器是一种新型的绿色储能器件,具有比电容高、循环寿命长、使用温度范围宽、充放电电流大、绿色环保等优点而成为近年来的研究热点。其中,电极材料是影响超级电容器性能的关键因素,也是本论文主要的研究对象。本文针对Co3O4、Co(OH)2阴极材料比电容的提高以及MoS2新型阳极材料开展实验研究,主要内容如下:  (1)结合水热和电沉积两步法合成三维Co3O4@Co(OH)2复合材料,利用其间的协同效应提高电化学性能。首先,在泡沫镍上水热高温煅烧制备Co3O4纳米管;然后,利用电沉积技术在Co3O4纳米管表面沉积Co(OH)2,形成Co3O4@Co(OH)2复合材料。SEM和TEM表明:三维Co3O4@Co(OH)2纳米结构是由Co(OH)2纳米片在Co3O4纳米管的间隙和顶端生长形成的。Co(OH)2电沉积3min得到的三维Co3O4@Co(OH)2复合结构,电流密度为25mAcm-2时,比容量高达1143Fg-1;复合结构电极在5mAcm-2电流密度下的面积比容量为6.42Fcm-2;当电流密度为25mAcm-2时,1000次充放电后,比容量维持792Fg-1,有83.1%容量保留率,均优于单独Co3O4纳米管和Co(OH)2纳米片电极。  (2)采用电沉积和高温煅烧两步法,获得了超高比容量的Co3O4纳米电极。先在泡沫镍上恒流沉积Co(OH)2前驱体,再在有氧状态下450℃高温煅烧将Co(OH)2转化为Co3O4;其中,Co3O4纳米形貌可以通过Co(OH)2前驱体的沉积时间调控。Co3O4纳米片厚度约为7nm,表面上有丰富的纳米孔。沉积3min的Co(OH)2经高温处理得到的Co3O4纳米片在电流密度5mAcm-2下比容量为6469Fg-1,超过理论比容量。在电流密度15mAcm-2下Co3O4纳米片电极材料2000次充放电81.6%容量保留,能保留4127Fg-1的比容量。这主要归结于超薄Co3O4纳米片的结构,不仅有利于电解液的完全浸透,也因较大的比表面积产生部分双电层电容;在充放电过程中易形成Co的氢氧化物可能会产生部分电池效应。  (3)利用水热法合成蜂窝状的MoS2纳米片,并研究其作为新型阳极材料的潜力。水热法制备的MoS2纳米片相互交连形成3D的蜂窝状多孔结构,MoS2纳米片具有类矩形的CV曲线、类三角形的GCD曲线以及低频高斜率的EIS曲线,结果表明:MoS2的电容特性主要是双电层电容。为了进一步研究MoS2的阳极电容行为,结合电沉积制备的Co(OH)2为阴极,组装成Co(OH)2//MoS2非对称超级电容器。结果表明:Co(OH)2//MoS2电容器在KOH水系电解液中,具有1.5V稳定电压窗口;4000次充放电容量保留92.3%;电流密度1mAcm-2时能量密度为19.7Whkg-1,电流密度5mAcm-2时功率密度为1250.0Wkg-1。器件的能量密度优于以碳材料为阳极制各的电容器器件,这充分证明了MoS2作为新型阳极的潜力。
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