论文题目:过渡金属氢氧化物、硫化物纳米复合材料的制备及其电化学性能的研究超级电容器作为储能领域的重要元件,由于其具有超高的功率密度和快速充放电的优点而广泛的应用在电动汽车,可穿戴的电子设备以及大功率的重型机械中。但是随着科技的进步和人们需求的提高,超级电容器已经很难满足消费者的要求,所以开发具有高性能的超级电容器具有一定的现实意义。超级电容器的电化学性能主要依赖于它的电极材料。过渡金属氢氧化物由于具有超高的理论比电容并且资源丰富,目前来看是最有发展前景的电极材料。然而它们的导电性较差,导致实际的比电容远低于它们的理论值。过渡金属硫化物相对于其氢氧化物具有较高的电导率,同时也具有很高的电化学活性,所以也非常适合作为超级电容器电极材料。而单一组分的物质往往都具有或多或少的缺点,无论是结构和性能都很难达到令人满意的结果。最近大量的报道已经表明多组分物质的复合和结构的设计对超级电容器的电化学性能有明显的提升作用,复合电极材料可以结合各组元的优点,达到提升超级电容器电化学性能的目的。所以我们以这个思路为切入点,分别采用液相还原法和水热法来进行多组元的复合,并对材料的结构进行表征以及电化学性能进行测试分析。本论文的主要思路是以镍钴基氢氧化物为起点,通过对电极结构的设计和其他赝电容材料的引入,利用多组分物质之间的协同效应来提高超级电容的综合性能,为当前超级电容器所面临的比电容偏低、能量密度偏低和导电性差等问题的解决上起到一定的抛砖引玉的作用。主要的研究工作包括以下几个部分内容:1.研究了在室温下通过液相还原法控制合成三维海绵状Co/Co（OH）₂纳米复合材料,并讨论还原剂用量对产物形貌的影响。随着还原剂用量的增加,材料的形貌从最开始的纳米颗粒逐渐自组装生长成三维海绵状纳米复合材料,整个材料的合成过程是通过自组装完成的。并表征了材料的三维海绵状的片层状结构,在材料表面上有很多开放的孔,使其具有较高的比表面积63.5 m²/g,这更有利于电解液的浸润,对材料的电化学性能起到提高的作用。同时也对材料的磁性能进行测试,通过材料磁性的大小和电化学性能的对比初步的推断了金属Co对材料电化学性能的影响。经过电化学测试结果分析得出我们所制备电极材料的电荷转移电阻仅为Rct=0.37Ω,进一步验证了我们最初设计的可行性。在三电极体系下Co/Co（OH）₂电极材料的电化学性能:在不同电流密度1,2,5,10和20 Ag^-1下的比电容分别是1048,860,733,669和596 Fg^-1,展示出较高的比电容和倍率性能。在10 Ag^-1的电流密度下循环充放电5000次后,比电容保持在最初容量的70.6%。此外,我们通过组装Co/Co（OH）_2//AC非对称电容器,来验证Co/Co（OH）₂电极材料的实际应用性,展示出在功率密度为0.43 KWkg^-1时得到最高的能量密度可达36.6 Whkg^-1,同时在10 Ag^-1大电流密度下,非对称电容器10000圈的循环性能高达78.1%。因此,我们的工作提供了一种绿色且低成本的方法制备Co/Co（OH）₂纳米复合材料作为超级电容器的电极材料,并表现出良好的电化学性能。2.研究了Ni-Co-S/Co（OH）₂纳米复合材料的制备过程:采用一种简易的两步法成功的设计合成了具有独特分层结构的Ni-Co-S/Co（OH）₂纳米复合材料。此方法是通过在前驱体表面直接原位硫化形成镍钴硫化物纳米颗粒锚定在纳米片上形成新颖的三维结构,使得镍钴硫化物与氢氧化物牢固的结合在一起,同时三维开放的结构有利于电解液的快速扩散和为电子提供快速传输的通道。在三电极体系下的电化学测试结果中,研究了镍钴硫化物与氢氧化钴协同效应对超级电容器电化学性能的促进作用和不同复合比例对电化学性能的影响。经过对比分析发现,Ni-Co-S/Co（OH）₂纳米材料相对应前驱体具有更大的比电容,在1 Ag^-1的电流密度下其比电容高达1560.8 Fg^-1,并且具有优异的倍率性能(953.3 Fg^-1在30 Ag^-1)和循环稳定性(81.7%在10 Ag^-1),这说明多组分的复合对样品的电化学性能有促进作用。我们也成功的组装了Ni1-Co2-S/Co（OH）₂//AC全固态非对称电容器,在1 Ag^-1的电流密度下,比电容高达137.2 Fg^-1,经过在3 Ag^-1的电流密度下10000圈的循环测试比电容保持在最初的88%。在800Wkg^-1的功率密度下展现出了超高的能量密度48.8Wh kg^-1,并且成功点亮了四盏红色的发光二极管,充电90秒能持续发光十分钟,直观的显示了这种材料的实际应用价值。3.采用三步水热法成功的制备了具有分层结构的C@NiMn-OH-Ni₃S₂/Ni foam新颖的纳米复合电极,主要研究了复合电极各分层之间的作用,并探讨了纳米复合电极的设计思路和可行性。首先利用硫代乙酰胺水解在泡沫镍表面硫化得到Ni₃S₂的薄层,并作为第二步镍锰氢氧化物原位生长的基底,最后通过葡萄糖碳化在活性物质的表面覆盖一层适量的碳,通过透射照片可以观察出,碳恰到好处的覆盖在活性物质表面,对电极材料的循环稳定性有很大的提升作用。三电极体系的测试发现在3000圈的循环测试后,包覆碳之后电极材料的循环稳定性从82.4%提高到92.1%。并且在1 Ag^-1的电流密度下比电容高达2512.7 Fg^-1。利用这种方法制备的复合电极材料可以直接用来测试和使用,不需要进一步的处理,省掉了再制备电极的步骤,有效的节省了时间,这种一次成型的电极制备方法也有利于推动电极材料的大规模生产。同时我们利用所制备的复合电极与活性炭组装成C@NiMn-OH-Ni₃S₂/Ni foam//AC非对称电容器,在1.5Ag^-1的电流密度下,比容量高达112.8 Fg^-1,当电流密度增加高15 Ag^-1,比电容仍然能达到55.7 Fg^-1,展现出接近50%的高倍率性能。在10 Ag^-1高电流密度下10000圈恒电流充放电测试后,循环稳定性高达94.6%。当功率密为12.75 Wkg^-1时,C@NiMn-OH-Ni₃S₂/Ni foam//AC非对称电容器装置实现能量密度最高可达45.3 Whkg^-1,并且经过一次充电后能成功点亮4盏红色的发光二极管。