钴基氧化物电极材料的合成及其电化学电容性能的研究

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超级电容器是一种介于普通电容器和燃料电池之间的新型储能器件,近年来得到了快速的发展,而电极材料是决定超级电容器性能优劣的决定性因素之一,因此,寻找并开发电化学电容性能优异的电极材料对于提高超级电容器性能具有决定性意义。钴基金属氧化物由于具有很高的理论比容量和优异的倍率性能而受到了广泛的关注,本论文以钴酸锰(MnCo2O4)和四氧化三钴(Co3O4)为研究对象,分别对其电化学电容性能进行了研究。具体内容分为两个部分:(1)层状MnCo2O4电极材料的合成及其电化学电容性能的研究以醋酸钴和醋酸锰为前驱体盐,尿素作为络合剂,乙二醇/水作为混合溶剂,采用溶剂热法制备出层状堆叠的MnCo2O4材料。研究发现只有在醋酸锰和醋酸钴的摩尔比为0.25 mmol:0.5 mmol,反应温度为150°C,反应时间为5.5 h时,才可以得到层状堆叠的MnCo2O4材料,改变条件后,MnCo2O4的形貌发生严重变化。电化学测试结果表明这种层状堆叠结构的MnCo2O4可以表现出相比于其他形貌更加优异的电化学性能,在1 A·g-1的电流密度下的比电容为480.5 F·g-1,当电流密度升高至25 A·g-1时,比电容的保持率仍可达75.7%,循环3000圈以后的比电容保持率可达96.6%。进一步探讨其特殊结构的形成机理,发现其层状堆叠的结构来自于Mn元素与Co元素共同作用的结果,在反应过程中,Mn2+和Co2+的反应速率不断发生变化,导致在反应的各个阶段所得到的产物的形貌不同,但是在MnCo2O4的整体形貌上,其立方体结构主要来自于Co元素的作用,层状结构来自于Mn元素的作用。(2)泡沫镍负载Co3O4电极材料的合成及其电化学电容性能的研究以硝酸钴为前驱体盐,采用水热法直接在泡沫镍表面负载Co3O4材料(Co3O4/NF)。研究结果表明,电化学性能最佳的Co3O4/NF反应条件为:硝酸钴的浓度为0.1 M,反应温度为120°C,反应时间为4 h。XRD结果表明所制备的产物为泡沫镍上负载的Co3O4材料,SEM的结果表明产物为均匀的纳米针状结构。在最佳反应条件下所得到的Co3O4/NF电极材料在1 m A·cm-2的电流密度下可以表现出751.1 F·g-1的比电容,而电流密度升高至20 mA·cm-2时,比电容可保持81.3%,循环6000圈以后的比电容保持率可达88.6%,说明其具有优异的电化学性能。
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