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《兰州理工大学》 2019年
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纳米金对非碳基电极材料电化学性能的影响研究

 
【摘要】:超级电容器作为新型的储能器件,具有放电时间快、循环寿命长、功率密度高等优点受到研究者的广泛关注。相比于双电层储能的碳材料,金属氧化物和导电聚合物作为典型的赝电容电极材料,其比电容和能量密度较高;然而赝电容电极材料低的电导率,导致其循环寿命和大功率性能较差。针对这一问题,本文采用金纳米颗粒(AuNP)掺杂改性金属氧化物材料和导电聚合物电极材料;研究金纳米颗粒对复合电极材料结构、性质和电化学性能的影响及机制。主要研究内容包括:1、热分解法制备金纳米颗粒/氧化镍(AuNP/NiO)和金纳米颗粒/二氧化钼/氮化钼(AuNP/MoO_2/Mo_2N)复合电极材料。研究AuNP对复合材料的形貌和晶粒的影响,AuNP的含量和粒径对其复合材料的电化学性能的影响及其机制。结果表明:在热分解过程中,HAuCl_4会影响基体材料的晶粒大小和形貌;随着AuNP含量的增加,AuNP的晶粒也会增大,活性基体材料的晶粒也会增大,当HAuCl_4含量较高时,会有颗粒团聚;随着Au含量的增加,其复合电极材料的比电容都会出现先增大后减小的趋势。AuNP减小了复合电极材料的电荷转移阻抗,提高了其电化学动力学特性,进而提高了复合电极材料的电化学性能。对于AuNP/NiO复合电极材料,其最高比电容为597 F g~(-1),此时Au含量约为1.54%,Au的大小约12 nm。对于AuNP/MoO_2/Mo_2N复合电极材料,其最高比电容为348 F g~(-1),此时Au的含量为1.08%。2、原位还原法制备金纳米颗粒/四氧化三钴(AuNP/Co_3O_4)复合电极材料,系统研究了AuNP的含量与其电化学性能之间的关系。随着AuNP含量从0.3%增加到1.2%,比电容先增大后减小,其最高比电容为681 F g~(-1),此时AuNP含量为0.9%、大小约15 nm。AuNP纳米颗粒提高了复合电极材料的电导率,减小了电荷转移阻抗,从而提高了复合电极材料的电化学性能。3、物理共混法制备AuNP/PANI复合电极材料,详细研究了结构形貌、AuNP的含量和粒径对其电化学性能的影响。1)构筑的金纳米颗粒和聚苯胺的蛋黄派结构(AuNP@PANI)。随着聚合反应时间的延长,AuNP@PANI的比电容先增大后减小,其最高比电容为79 F g~(-1)。比容量较低的主要原因是AuNP与PANI之间存在着空隙,影响Au与PANI之间的接触和相互之间的电荷转移。2)构筑的金纳米颗粒和聚苯胺的核壳结构(AuNP@PANI)。比电容有所提高,主要是因为改善了AuNP与PANI的接触问题。随着反应时间的延长,其比电容会出现先增大后减小的趋势,其最高比电容为285 F g~(-1),Au的含量约1.44%,Au的大小约18.5 nm。3)对于金纳米颗粒和聚苯胺(AuNP/PANI)无规复合电极材料,随着AuNP含量的增加,复合电极材料的电荷转移阻抗相对于纯PANI有所减小,比电容先增大后减小,其最高比电容为462 F g~(-1),此时AuNP的大小约20 nm,含量约1.64%。4)在共氧化剂法制备AuNP/PANI复合电极材料中,随着AuNP含量的提高,其Au的粒径也增大,比电容先增大随后减小。最高比电容为392 F g~(-1),此时金的含量为19.15%,Au的大小为20 nm。共氧化剂法相对于物理法制备的复合电极材料,金含量偏高,复合电极材料的比电容偏低,主要是和聚苯胺本身的聚集态结构有关。由于HAuCl_4强氧化剂合成的聚苯胺的氧化态程度较高,导致复合物的比电容稍低。4、原位还原法制备了金纳米颗粒/聚苯胺/聚醚砜(AuNP/PES/PANI)复合膜,制备柔性电极材料以组装可穿戴柔性超级电容器。AuNP/PES/PANI的比电容为446 F g~(-1),远高于PES/PANI的比电容(305 F g~(-1))。AuNP的引入,膜材料的内阻和电荷转移阻抗均减小,提高了电化学性能。综上,本博士论文主要采用不同的方法制备了不同的纳米金颗粒掺杂改性的非碳基电极材料,研究了金纳米颗粒对其电容特性活性材料的电化学性能的影响及机制。AuNP对其电极材料性能的改善,基于异质界面上电子转移特性的相互作用,能够减小复合电极材料的电荷转移阻抗,减小电极材料的内阻,提高材料的电化学性能。当AuNP的大小为10-20 nm、含量为0.9-1.7wt%时对电极材料电化学性能的贡献最大。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM53;TB33

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