MOFs衍生多孔碳/MnO_2复合材料及其在超级电容器中的应用

利用高比表面积、大孔隙率金属有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)作为牺牲模板,制备了MOFs(ZIF-8)衍生多孔碳材料(PCs),以其作为导电基底,在表面生长金属氧化物MnO_2,获得MnO_2/PCs复合材料并将其应用在超级电容器中.制备的复合材料具有良好的电化学电容性能,在三电极体系中,1 A·g~(-1)的电流密度下比电容可达199 F·g~(-1),经过2 000次充放电循环后,比电容仍能保持初始值的80%.使用MnO_2/PCs复合材料作为正极,PCs作为负极,组成的非对称型电容器MnO_2/PCs//PCs具有优异的电化学储能性能,在950 W·kg~(-1)的功率密度下,能量密度高达10.16 Wh·kg~(-1);而且当功率密度上升为9 500 W·kg~(-1)时,能量密度仍可以保持4.48 Wh·kg~(-1).     

超声-浸渍法制备介孔MnO_2及其性质表征

采用超声-浸渍法,以SBA-15为硬模板、Mn(NO_3)_2为锰源制备出介孔MnO_2. 采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、氮气吸附-脱附以及热重-差热方法(TG/DTA)对样品的物理结构进行表征;用恒流充放电、循环伏安和电化学阻抗(EIS)考察样品作为超级电容器电极材料的性能. 结果表明,样品MnO_2复制了SBA-15的介孔结构,比表面积、平均孔径分别为282m~2·g~(-1)和2.75nm;介孔MnO_2作为超级电容器电极材料,具有良好的动力学可逆性,电荷转移电阻小,电化学活性较高,首次放电比容量为285F·g~(-1),循环500次后仍保持在210F·g~(-1).     

水热法制备凹凸棒黏土-Mn_3O_4及其电化学性能研究

将水热法制备的负载型凹凸棒黏土-Mn_3O_4(Att-Mn_3O_4)复合材料用做超级电容电极材料,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)测试对材料的物相及形貌进行了表征.发现Mn_3O_4基本呈棒状结构,较好地分散负载在凹凸棒黏土表面.以该复合材料为活性物质制成电极,采用循环伏安、恒流充放电等电化学方法考察其电化学性能,结果表明:在0.5 mol·L~(-1)的Na_2SO_4溶液中,0~1.0 V扫描电位范围内,其循环伏安曲线矩形特征明显;在0.5 A·g~(-1)电流密度下,电容器充放电性能的最佳电位范围为0~1.0 V,比电容和储能密度达到最大值分别为80.25 F·g~(-1)和250.80 W·kg~(-1),而纯Mn_3O_4电极材料的比电容为40.80 F·g~(-1).可见凹凸棒黏土的加入可以明显提高其电化学性能.恒电流充放电性能测试表明,该复合材料具有较好的电化学稳定性,有望成为一种新型的超级电容器电极材料.     

碳纳米花的制备及其电化学表征

以醋酸纤维素(CA)为碳源,氧化锌纳米花为模板,通过高温炭化方法制备了碳纳米花材料(CNF).采用扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)和拉曼光谱等方法对所制备的碳纳米花的结构和形态进行了表征,并通过三电极体系对碳纳米花材料的电化学性能进行了研究.结果表明,该电极材料在1A·g~(-1)的电流密度下比电容可达229.7F·g~(-1),同时显示出优异的倍率性能,在电流密度为100A·g~(-1)下比电容仍然保持初始值的78.4%,并且该材料具有超高的循环稳定性,经过6 000圈恒电流充放电循环,比电容保持了初始值的100%.     

锂硅电池负极材料G-Si的制备及电化学性能

硅是一种具有应用前景的负极材料。为了解决在电化学循环过程中由于硅电极体积变化较大、导电性比较差而造成负极材料比容量迅速衰减及其循环性能不稳定的问题,本研究利用溶胶-凝胶法,经过镁热反应制得具有三明治结构的负极材料石墨烯-硅-石墨烯;通过实验研究发现负极材料G-Si-1:1具有较好的电化学性能,在电流密度为0.1 A/g时首次放电比容量为1150 m A·h·g~(-1),循环100周时放电比容量为534.2 m A·h·g~(-1)。负极材料石墨烯纳米片负载硅纳米颗粒的合成路线较为简单,并且具有较高的放电比容量和较好的循环性能,在未来具有较好的应用前景。     

多孔纳米Ni3S2的制备及其电化学性能研究

通过两步液相法合成了生长在泡沫镍上的具有多孔结构的纳米Ni_3S_2,分别用XRD,SEM对材料进行了物相和微观形貌表征,并利用电化学工作站测试了其电化学性能.实验结果表明,利用(NH_4)_2S_2O_8氧化泡沫镍时反应温度应在70℃以上,反应时间在3 h以上,合成的电极材料表面呈多孔薄层的三维结构,孔径大小分布广,并且薄层之间没有互相重叠的现象.循环伏安曲线及恒流充放电曲线显示,Ni_3S_2电极材料具有良好的可逆性,明显的电池电容特点.当电流密度增大10倍时,比电容只下降了35.5%,具有良好的倍率性能.由交流阻抗谱图可知,高频区电阻率为0.91Ω,低频区直线斜率大,表明材料具有良好的导电性.当电极材料充放电次数从0增加到1 000次时,比电容由1 015.4 F·g~(-1)增加到1 222.7 F·g~(-1),增加了20.4%,表明制备的Ni_3S_2具有良好的循环稳定性.     

MnO2/碳纳米球电化学超级电容器电极材料的制备与性能研究

利用水热法合成了纳米棒状的MnO_2/碳纳米球(CNPs)作为电化学超级电容器的电极材料.利用场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射光谱分析(XRD)对样品的微观形貌、物相进行分析;利用循环伏安法和恒电流充放电测试材料的电化学性能.结果表明:纳米棒状MnO_2/CNPs复合材料具有良好的电化学性能.在0.1 A/g的电流密度,1 mol/L Na_2SO_4电解液中,电极材料的比电容高达305.6 F/g,远高于纯碳球的比电容(49.3 F/g),当电流密度增至5 A/g时,材料的比电容为235 F/g,比电容仍能保持76.9%.     

百合生物质碳材料的制备及其电化学性能研究

以百合根茎为生物质碳源,通过一步KOH化学活化结合高温碳化方法制备了多级孔径结构的生物质碳材料(LBC),采用X-射线粉末衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、氮气吸脱附(BET)、场发射扫描电镜(FE-SEM)等对材料结构进行了表征,用循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗谱对其电化学性能进行了研究.结果表明,LBC材料具有疏松多孔的结构;三电极系统测试时在~(-1).0～0V(vs.SCE)电位窗口内、1 000mV·s~(-1)的扫速下循环伏安曲线仍能保持良好的矩形形状;在电流密度1A·g~(-1)时比电容为199F·g~(-1);当电流密度增至50A·g~(-1)时仍能保持其初始比电容的83%;当组装为对称性二电极器件结构,在工作电压扩展至1.2V时,比电容为34F·g~(-1),能量密度为6.8 Wh·kg~(-1),功率密度为600W·kg~(-1).以上结果表明通过一步法制备的百合基碳材料在超级电容器电极材料领域具有一定的应用潜力.     

沉淀法制备Na_(0.7)MnO_(2.05)及其水基超级电容器性能测试

以Mn(NO_3)_2和NaOH为原料,采用沉淀法合成了用作超级电容器电极材料Na_(0.7)MnO_(2.05).扫描电子显微镜(SEM)观察结果表明所制备样品呈层状板块形貌.电化学测试结果表明,Na_(0.7)MnO_(2.05)是一种性能比较优良的超级电容器电极材料.在1mol·L~(-1) Na_2SO_4电解质溶液中,0~1V的电压范围内,充放电电流密度为200mA·g~(-1)时,比容量高达201F·g~(-1),库伦效率接近100%.     

TiO_2纳米片/石墨烯复合电极材料的制备及其超级电容器性能

以无定形TiO_2粉体为前驱体,利用水热反应制得TiO_2纳米片,后与氧化石墨复合并还原得到TiO_2纳米片/石墨烯(rGO)复合电极材料。利用X射线衍射(XRD)、氮气吸脱附、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对其形貌和结构进行表征。结果表明,TiO_2纳米片是由粒子聚集而成,在复合材料中,TiO_2纳米片进入到了石墨烯片层之间,增加了复合材料的比表面积。循环伏安(CV)、恒电流放电(CP)和循环寿命测试表明,TiO_2/rGO纳米复合电极材料在三电极体系中,电流密度为1A·g~(-1)时,比电容高达240.9 F·g~(-1)。2 000次循环后仍保持初始电容68%,表现出优秀的超级电容器电极材料性能。     

MnCo_2O_4中空纳米球结构碳气凝胶的快速制备及其储能性能

以海藻酸钠(SA)为生物质模板和碳源,引入Mn~(2+),Co~(2+)并与藻酸盐中的嵌段配位而被固定,形成"蛋盒"结构。通过在N_2中高温退火,被海藻酸钠固定的Mn~(2+),Co~(2+)转化成被三维碳气凝胶(CA)骨架包裹连接的MnCo_2O_4纳米球,同时在柯肯达尔效应的作用下MnCo_2O_4纳米球形成中空结构,制备出了含有纳米MnCo_2O_4空心球结构的碳气凝胶(MnCo_2O_4@CA)电极材料。通过X射线衍射分析(XRD)确定其成分,使用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、超高分辨场发射透射电子显微镜(HRTEM)表征其形貌结构,通过氮吸附方法对其比表面积与孔隙度进行了测试,使用电化学工作站进行循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)和交流阻抗(EIS)测试分析其作为超级电容器电极材料的电化学性能。测试表明:MnCo_2O_4@CA的比表面积达117. 4 m~2·g~(-1);在电流密度为1 A·g~(-1)下比电容可达1 166. 7 F·g~(-1);由于其结构特殊,循环稳定性表现出色,在10 A·g~(-1)电流密度下,3 000次充放电循环后仍能保持84. 4%的电容。     

MnO2@ZnO/C复合材料的制备及电化学性能

金属有机骨架(metal-organic frameworks, MOFs)化合物是一类由金属离子和通过配位键连接在一起的有机配体组成的晶体材料.作为一种具有立体空间结构的功能材料,凭借其较大的比表面积、较高的孔隙率及品种的多样性,引起了各领域研究者的广泛关注.以β-MnO_2纳米棒为模板制备出MnO_2@ZIF-8杂化纳米结构,在惰性气氛中分步煅烧处理,得到MnO_2@ZnO/C复合材料. ZIF-8中的有机配体由于高温煅烧发生裂解而产生孔道,进而为锂离子的嵌入和脱出提供更多离子传输路径.同时,由于高温裂解伴随着碳的产生,因此当使用这种复合结构物质作为电极材料时,可以提高材料的导电率. MnO_2@ZnO/C纳米复合材料的首次放电比容量为1 873 mA·h·g~(-1),在电流密度为100 mA/g的条件下完成100次充放电后比容量维持在658 mA·h·g~(-1),展现出了优良的电化学储能特性.     

碳纳米管膜/MnO_2柔性电极材料的制备及其电容性能

为了制备性能优异的柔性超级电容器电极材料,以横向网络状分布的柔性碳纳米管薄膜为基底,通过与二氧化锰的复合,制备出碳纳米管膜/MnO_2柔性超级电容器电极材料.分别利用扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、X线光电子能谱、恒电流充放电和循环稳定性等测试表征材料的形貌、结构和电容性能.结果表明:碳纳米管膜/MnO_2复合材料的比电容最高可达297 F/g,且碳纳米管膜/MnO_2柔性电极材料在比电容大于200 F/g时依然拥有优良的循环稳定性.     

WSe_2负载掺氮三维石墨烯的制备及储锂性能

近年来,过渡金属硫族化合物由于具有较高的理论比容量及特殊的层状结构,被认为有希望替代石墨作为下一代锂离子电池负极材料.作为典型的过渡金属硫族化合物,硒化钨(WSe_2)具有与石墨类似的二维层状结构,层间通过较弱的范德华力结合,方便锂离子嵌入和脱嵌.然而,在实际应用中,导电性差、循环过程中体积膨胀等问题制约了其进一步的发展.为了解决以上问题,本文经水热、退火等步骤,制备了将纳米棒状WSe_2锚定在掺氮三维石墨烯上的WSe_2@N-3DG复合材料.电化学测试表明,电流密度为2 A·g~(-1)时,复合材料循环500圈后放电比容量可以达到412 m Ah·g~(-1),在0.1,0.2,0.5,1和2 A·g~(-1)的电流密度下,WSe_2@N-3DG的放电比容量分别达到811,696,576,443和391 mAh·g~(-1),表现出优异的电化学性能.     

金属锡复合二硫化钼(Sn/MoS2)的制备及电化学性能研究

以(NH_4)_6Mo_7O_(24)·4H_2O为钼源,以Sn_Cl_2·2H_2O为锡源,采用简单的溶剂热法经低温退火合成SnO_2-MoO_3前驱体;再进一步与硫氰化钾水热反应经低温煅烧即可得到Sn/MoS_2复合物.通过XRD,SEM等对合成材料的结构和形貌进行表征,采用恒流充、放电系统对合成材料的电化学性能进行了测试.结果表明:所合成的纯MoS_2纳米结构在作为锂离子电池负极材料时,具有较高的初始放电容量,但循环性能较差.所制得的Sn/MoS_2复合材料,大大改善了MoS_2的循环性能.当电流密度为100 m A·g~(-1)时,在0. 01 3. 0 V的电压窗口下循环70次后,Sn/MoS_2复合物的放电容量可以保持在725 m Ah·g~(-1),具有较高的可逆比容量和优良的循环性能,为研究高比容量和循环性能稳定的新型锂离子电池负极材料提供了实践依据.     

氮掺杂多孔MOF衍生碳电极的构筑及其电化学性能

通过两步法成功将氮掺杂石墨烯量子点(N-doped graphene quantum dots,N-GQDs)与金属有机骨架衍生碳材料(cZIF-8)组合制备出N-GQDs@cZIF-8超级电容器.1 mol/L H_2SO_4电解质中,该电极在0.5 A·g~(-1)电流密度下具有246.6 F·g~(-1)的比容量,在循环8000次时仍然保持83.7%的容量保留率,展现了优异的循环稳定性.同时, NGQDs@cZIF-8超级电容器在104.5 W·kg~(-1)的功率密度下获得了8.2 W·h·kg~(-1)的优异能量存储能力,这样显著的电化学性能主要因其具有高比表面积的三维结构和高赝电容活性的氮掺杂水平(10.13%),使其在超级电容器、锂离子电池等能量存储领域具有潜在的应用前景.     

聚苯胺修饰活性炭电极的电化学性能

有机体系下,采用循环伏安法(CV)在活性炭电极表面电聚合聚苯胺制备聚苯胺/活性炭复合电极,通过循环伏安、恒流充放电和电化学交流阻抗谱(EIS)测试了电极的电化学特性,结果表明,聚苯胺/活性炭复合电极具有良好的电容行为,在-1.0～1.5V参比极为Ag/AgCl,测试区间内具有较大的电化学容量,电极比电容高达276F·g-1,较活性炭电极的比电容92F·g-1有了很大提高.并且交流阻抗法测得活性炭电极的电荷转移电阻Rct为4.9Ω,而复合电极Rct仅2.4Ω.1000次充放电测试后,复合电极比电容仅衰减15.7%.由此表明,在有机体系下聚苯胺/活性炭复合电极是一种具有良好循环寿命和高比电容的复合电极材料.     

电沉积制备氮化钴纳米片超级电容器

采用一种简单的电化学沉积和退火方法,实现了在碳布基底上碳氮结构修饰氮化钴(CC@Co2 N@CN)材料的制备,并将其用于高性能超级电容器.氮化钴表面修饰的碳氮结构不仅可以提高整个电极的电容,而且可以缓解氮化钴的氧化,从而提高整体的导电性能.同时,CC@Co2 N@CN表现出极长的寿命,在10000次循环后容量仍能保持其初始值的77％.在电流密度为1 m A·cm-2时,该电极的面积电容最高可达429.4 m F·cm-2.因为具有较大的面积电容和良好的循环稳定性能,此类基于碳布基底的氮化钴碳氮结构超级电容器在储能领域具有广阔的应用前景.     

FeOOH/碳布柔性薄膜电极的制备及其超级电容器性能研究

运用简便易操作的水解法合成了一系列的FeOOH/碳布柔性电极,通过改变水解温度调节FeOOH的纳米结构,采用X-射线粉末衍射、扫描电镜、X-射线光电子能谱等技术对得到的柔性电极进行了表征,将所得材料用作超级电容器负极,研究了其电化学性能.在80℃水解条件下得到的FeOOH/碳布电极的放电比容量高达240F·g~(-1),循环2 000周后容量保持率高达78%.研究表明,FeOOH/碳布柔性薄膜电极的制备方法简单、原材料廉价易得、电化学性能良好,具有广泛的应用前景.     

硝酸改性活性炭电极材料的电化学性能研究

以浓度为65%的硝酸对商品活性炭进行改性,利用傅里叶-红外光谱和N_2吸附-脱附仪分别表征改性前后活性炭电极材料的表面化学性质和孔结构参数,用循环伏安、恒流充放电和交流阻抗等电化学方法研究了它们在6 mol·L~(-1)KOH电解液中的电化学性能.结果表明,尽管改性活性炭的比表面积和孔径参数均有一定程度下降,但其比电容却增加,高达254.3 F·g~(-1),比改性前提高了18.0%.同时,活性炭的频率响应特性增强,电阻明显减小.