【摘 要】
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不可再生能源,如石油、天然气、煤炭与核裂变能等的大量开采与利用,在加快世界经济现代化进程的同时,也带来了严重的环境污染。因此,寻找能源消耗少、环境污染小、经济效益高
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不可再生能源,如石油、天然气、煤炭与核裂变能等的大量开采与利用,在加快世界经济现代化进程的同时,也带来了严重的环境污染。因此,寻找能源消耗少、环境污染小、经济效益高的能源储存和转换装置,以减少不可再生能源的消耗和环境污染,是一个亟待突破的问题。超级电容器(SCs),由于具有功率密度高、电化学可逆性好、循环寿命长、环境友好等固有的优点,已被推到能源储存研究领域的最前沿。目前,如何通过较低的生产成本获得具有高能量密度、高功率密度以及优良循环稳定性的电极材料,仍是超级电容器进一步发展所面临的挑战。氮化钒(VN),作为一种典型的金属氮化物,不仅具有较高的比容量和优异的导电性,同时具有较宽的电势窗口,是一种新型的超级电容器电极材料。然而VN表面存在的氧化层(VOx)易与碱性电解液发生反应,使其作为电极材料表现出较差的循环稳定性。本论文针对VN固有的缺点,尝试通过VN与氮掺杂碳(NC)材料的复合,以提高电极材料的循环稳定性和比容量,从而使超级电容器表现出优异的电化学性能。本论文主要工作内容如下:(1)通过无模板溶剂热法和NH3还原法,制备了由VN纳米粒子和覆盖在VN表面的氮掺杂碳(NC)薄层组成的VN/NC复合材料,并对其物相结构以及电化学性能进行测试。研究发现,氮化钒/氮掺杂碳纳米球复合材料具有丰富的介孔结构,为电解液的渗透和快速的离子/电子传输提供更多的空间。此外,VN表面的NC层有效地抑制了VN在碱性电解液中的反应,使VN/NC复合材料表现出良好的循环稳定性。(2)以环境友好型的石墨相g-C3N4做氮源,采用简单的一步退火过程,制备了VN纳米粒子和NC纳米片的复合材料,并对其化学组成、形貌、比表面积以及电化学特性进行测试。结果表明,NC纳米片作为支撑骨架使VN纳米粒子得以高度分散,所制备的VN/NC复合材料相比于商业VN纳米粒子,表现出更高的循环稳定性和比容量。(3)以三聚氰胺作为氮源,通过简单的一步法合成了Ni/VN/NC复合纳米材料,小尺寸的Ni纳米粒子和VN纳米粒子共同嵌入到氮掺杂碳(NC)纳米片中,作为超级电容器的电极材料。研究结果表明,NC纳米片作为支撑骨架,有效抑制了VN和Ni纳米粒子的团聚,使复合材料的循环稳定性显著增强。Ni/VN/NC复合材料充分利用了Ni纳米粒子和NC纳米片优异的导电性,以及VN纳米粒子较高的比容量,使得3-Ni/VN/NC-7对称超级电容器以及(+)CuCo2O4//3-Ni/VN/NC-7(-)非对称超级电容器件均获得了优异的电化学性能。
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