氧化钨负极材料的制备及电化学性能的研究

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超级电容器(Supercapacitors,SCs)具有充放电速度快和使用寿命长等特点,因此,在新能源汽车和便捷式电子设备等领域有广阔的应用前景,这引起了研究人员和企业的广泛兴趣。但是由于能量密度较低,在一定程度上限制了它的广泛应用。研究表明,通过优化电极材料的形貌结构和合适的晶体结构能够提高超级电容器的比电容。本论文主要采用简单的水热合成法制备纳米氧化钨(WO3)电极活性材料,并研究了水热合成条件对纳米片厚度、晶体结构和微观形貌的影响,以及研究了其电容特性。主要研究内容与研究结果如下:(1)采用H2C2O4为结构导向剂,HCl调节pH值,Na2WO4·2H2O作为钨源,利用水热法成功制备了片状单斜氧化钨(m-WO3)。研究发现,随着草酸质量的增加,纳米片的平均厚度在减小,在1 mV s-1时的比电容在不断的增加。通过对改进水热合成工艺-对前驱体进行洗涤,所获得纳米片的平均厚度为32 nm;在1 mV s-1时,其比电容为454.5 F g-1;循环3000次电容量保持率几乎接近100%。(2)采用右旋酒石酸为结构导向剂,利用简单的水热法成功制备了片状六方氧化钨(np-WO3)。该np-WO3在2 mV s-1时,其比电容为242.4 F g-1;循环3000次的电容量保持率为102%。(3)在不使用模板和结构导向剂的条件下,仅调节pH值、Na2WO4含量和水热合成时间成功制备了有序介孔自组装饼状六方氧化钨(nc-WO3)。进一步将nc-WO3作为电极材料,在0.37 A g-1时,比电容高达605.5 F g-1;循环4000次电容量保持率为110.2%;较低的固有电阻为0.45Ω。储能机理分析表明:当扫描速度小于5 mV s-1时,电容贡献主要是质子插入型电容;当扫描速度大于5 mV s-1时,电容贡献主要是质子插入型电容和扩散型电容;来自最易接近区域的电容贡献占总电容高达18.1%。优异的电化学性质归因于以下原因:六方晶格通道有利于电解液中质子插入到材料晶格内部;电极材料的比表面积和电活性位点的增加,提高了电极活性材料的利用率和电化学活性;介孔结构具有相当好的机械稳定性,可以缓解或容纳H+的插入和脱出所产生的体积膨胀,进一步提高超级电容器的循环使用寿命。本论文采用简单的水热合成法成功制备了新颖的有序介孔自组装饼状六方氧化钨,具有优异的电化学性质,为过渡金属氧化钨在超级电容器中应用提供了实验依据。
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