基本信息
- 項目名稱：
- 納米孔氧化鎳立方體的制備及其超級電容性能研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 能源緊缺和氣候變暖等問題，使得人們對新型能源的開發(fā)利用愈加重視。超級電容器作為一種能量存貯裝置，有著許多普通電池和電容器所不能同時具有的良好特性，因此有著廣泛的應(yīng)用前景，是目前國內(nèi)外能源研究領(lǐng)域的一個熱點。 本論文探討了納米孔氧化鎳立方體的燒結(jié)溫度、時間和形貌對其電容性質(zhì)的影響。我們利用沉淀-焙燒這種簡單的方法制備出一種比電容大、循環(huán)穩(wěn)定性能好、易于工業(yè)化生產(chǎn)的氧化鎳電極材料。
- 詳細介紹：
- 本文中，我們優(yōu)化了一種高性能氧化鎳超級電容器電極材料的制備方法，獲得了一種制備方法簡單，比電容大，循環(huán)穩(wěn)定性能優(yōu)異的氧化鎳電極材料。本工作主要討論了熱處理溫度和時間對材料形貌和超級電容性能的影響，同時利用XRD、SEM和TEM對材料的形貌和結(jié)構(gòu)進行表征和分析以及利用電化學工作站對氧化鎳材料的電化學性質(zhì)進行了測量和比較。 主要結(jié)論如下： 1. 本文中制備的氧化鎳材料具有很高的比電容，在2 mV/s的掃描速度下比電容最高達361 F/g。 2. 本文采用的沉淀-焙燒的方法制備的氧化鎳材料是尺度均一的納米立方體，同時具有納米微孔的微結(jié)構(gòu)。 3. 本文中制備的氧化鎳具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在2000次連續(xù)充放電后保持原有約90%的比電容。 4. 本文中通過一定溫度范圍內(nèi)提高焙燒溫度（S1和S3）或延長焙燒時間(S1和S2)，NiO基本粒子不斷長大。這可以通過XRD譜圖中的峰變得越來越尖銳，半寬高減小得到證實。同時也可由TEM照片直接得到驗證。 5. 本文中的電化學數(shù)據(jù)表明提高焙燒溫度或延長焙燒時間，氧化鎳材料的比電容將一定程度上減小，但是晶體結(jié)構(gòu)將趨于穩(wěn)定，進而使得循環(huán)穩(wěn)定性有一定程度的提高。因此優(yōu)化合適的焙燒時間和溫度是獲得高比電容、高循環(huán)穩(wěn)定性材料的重要手段。 6. 本文中的Nyquist圖表明由于氧化鎳電極材料的納米微孔的微結(jié)構(gòu)有利于離子的運輸，使得超級電容器的電荷轉(zhuǎn)移電阻比通常文獻中報道的數(shù)值小，電阻的典型值小于5歐姆，這使得較少的能量在超級電容的這部分損耗。
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撰寫目的和基本思路
- 能源緊缺和氣候變暖等問題使得人們對新型能源/儲能裝置的開發(fā)越加重視。超級電容器這種新型儲能裝置由于成本較高，一直制約其發(fā)展和應(yīng)用，因此開發(fā)制備簡單，成本低廉的超級電容器電極材料有著十分重要的意義。圍繞綠色合成、成本低廉和優(yōu)異的電化學性質(zhì)三個主要目標我們展開了一系列的探索研究。通過比較焙燒時間和溫度對氧化鎳材料電容性質(zhì)的影響，優(yōu)化了制備方法，并獲得了滿足上述要求的多孔納米立方氧化鎳材料。
科學性、先進性及獨特之處
- 本論文探討了納米孔氧化鎳立方體的燒結(jié)溫度、時間和形貌對其電容性質(zhì)的影響。同時通過CV、CP和EIS等電化學方法具體地研究了其電容性質(zhì)，獲得了一種制備方法簡單、比電容大、循環(huán)性能好、具有良好應(yīng)用前景的超級電容器電容材料。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 超級電容器作為一種能量存貯裝置，有著許多普通電池和電容器所不能同時具有的良好特性，如比起電池有較大的功率密度、較長的使用壽命;比起傳統(tǒng)電容器有著較高的能量密度，因此有著廣泛的應(yīng)用前景，是目前國內(nèi)外能源研究領(lǐng)域的一個熱點。本論文研究的氧化鎳材料具有制備方法簡單、比電容大、循環(huán)性能好的優(yōu)點，并具有良好的應(yīng)用前景。同時本論文也驗證了形貌對納米材料性質(zhì)的重要影響。
學術(shù)論文摘要
- 本文利用草酸鎳的熱分解制備了單分散性納米孔氧化鎳立方體材料，并利用XRD、SEM和TEM對材料的形貌和結(jié)構(gòu)進行表征和分析。同時研究了熱處理溫度和時間對材料形貌和超級電容性能的影響。電化學測試表明這種納米孔氧化鎳立方體材料具有很高的比電容，在2 mV/s的掃描速度下比電容高達361 F/g。并且此材料有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在2000次連續(xù)充放電后保持原有約90%的比電容。研究結(jié)果表明NiO電極材料形貌和結(jié)構(gòu)對其超級電容性能有著重要影響。
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
- 1 P. Simon, Y. Gogotsi, Nat. Mater., 2008, 7, 845–854. 2 K. H. Chang, C. C. Hu, C. Y. Chou, Chem. Mater., 2007, 19, 2112–2119. 3 C. Z. Yuan, L. Chen, B. Gao, L. H. Su, X. G. Zhang, J. Mater. Chem., 2009, 19, 246–252. 4 C. Z. Yuan, X. G. Zhang, L. H. Su, B. Gao, L. F. Shen, J. Mater. Chem., 2009, 19, 5772–5777. 5 W. Xing, F. Li, Z. F. Yan, G. Q. Lu, J. Power Sources, 2004, 134, 324–330. 6 F. Jiao, A. H. Hill, A. Harrison, A. Berko, A. V. Chadwick, P. G. Bruce, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 5262–5263. 7 H. W. Yan, C. F. Blanford, B. T. Holland, M. Parent, W. H. Smyrl, A. Stein, Adv. Mater., 1999, 11, 1003–1006. 8 C. C. Yu, L. X. Zhang, J. L. Shi, J. J. Zhao, J. H. Gao, D. S. Yan, Adv. Funct. Mater., 2008, 18, 1–11. 9 電化學超級電容器--科學原理及技術(shù)應(yīng)用, （加）康維（Conway，B.E.）著，陳艾，吳孟強，張緒禮，高能武 等譯，化學工業(yè)出版社。
同類課題研究水平概述
- 超級電容器按儲能機理分主要可以分為兩類：雙電層電容器和贗電容器。目前雙電層電容器已經(jīng)商業(yè)化，而理論特性更好的贗電容器目前主要還是處于實驗研究階段。贗電容器的研究則主要集中在電容電極材料的優(yōu)化上，其電極材料主要分為以下兩類：碳基表面改性電極材料，金屬氧化物電極材料與導電聚合物電極材料。 對于金屬氧化物電極材料來說，無定形的水合氧化釕具有很高的比容量，并且循環(huán)性能好，但它成本昂貴，而且對環(huán)境有污染，同時其作為電極材料需要利用很強的酸性溶液（例如硫酸）作為電解液。因此必須尋找一些能代替水合氧化釕的金屬氧化物電極材料。相關(guān)研究表明其他一些廉價金屬氧化物，如：氧化錳、氧化鎳與氧化鈷等，有著與水合氧化釕相似的功能。其中氧化鎳具有較高的比電容率，并且資源豐富、價格低廉，使用中性電解質(zhì)等，得到了越來越多的關(guān)注，具有良好的商業(yè)應(yīng)用前景。 目前，除了非常薄的氧化鎳薄膜外，文獻中所報道的氧化鎳的比電容的典型值是100-300 F/g。由于微/納米結(jié)構(gòu)材料具有粒子尺寸小、比表面積大等特點，因此，通過制備微/納米結(jié)構(gòu)的材料通?？梢杂行У奶岬奖入娙莶⒏纳破渌嚓P(guān)的電化學性能。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，通過改變氧化鎳的制備方式及反應(yīng)條件，可以有效的調(diào)控產(chǎn)物的形貌與結(jié)構(gòu)，從而對其超級電容性能產(chǎn)生重要的影響。Devaraj和Munichandraiah通過實驗證明電極材料的電容值與其形貌和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此研究和構(gòu)筑不同形貌的氧化鎳材料對改進氧化鎳作為超級電容器電極材料具有很重要的意義。 綜上，制備尺寸均一的納米氧化鎳，并探究形貌與結(jié)構(gòu)對材料電容性質(zhì)的影響，對改進氧化鎳電極材料的電容特性具有重要的研究價值。
