金属氧化物包覆纳米碳纤维电化学制备及超级电容性能.pdf

国内图书分类号:TM535 学校代码:10213 国际图书分类号: 密级:公开工学硕士学位论文金属氧化物包覆纳米碳纤维的电化学制备及超级电容性能硕士研究生:陈谷芳导师:于杰教授申请学位:工学硕士学科:材料物理与化学所在单位:深圳研究生院答辩日期:2012年12月授予学位单位:哈尔滨工业大学 Classified Index: TM535 : Dissertation for the Master Degreein Engineering ELECTROCHEMICAL PREPARATION OF METAL OXIDES ENCAPSULATED CARBON NANOFIBERS AND THEIR SUPERCAPACITIVE PERFORMANCE Candidate: Chen Gufang Supervisor: Prof. Yu Jie Academic Degree Applied for: Master of Engineering Speciality: Materials Physics and Chemistry Affiliation: Graduate School of Shenzhen Date of Defence: December, 2012 Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-I- 摘要作为一种新型储能装置,超级电容器在生产成本、循环寿命、功率密度以及环境友好等方面都有着很大的优越性。超级电容器是介于传统物理电容器和化学电池之间的一种储能器件,不仅容量比常规电容大几百倍甚至上千倍,而且功率密度比电池高上百倍,具有优良的脉冲式充放电性能以及大容量储能性能。电极材料是组成超级电容器的核心材料,对超级电容器的综合性能起到决定作用。廉价金属氧化物因其高比电容、成本低廉、制备工艺简单等优点,受到人们的重视,具有良好的发展前景。本论文对超级电容器及其电极材料的研究和发展现状进行了分析,利用静电纺丝及电化学沉积方法制备了Ni、Co、 Mn等廉价金属的氧化物和氢氧化物包覆的纳米碳纤维,研究了其超级电容性能。主要研究内容如下: 采用静电纺丝方法制备了前驱体聚丙烯腈(PAN)纳米纤维,经预氧化和碳化得到纳米碳纤维。在扫描电子显微镜下观察所制备的PAN纳米纤维直径在 100 nm左右,经预氧化和碳化处理后,所得到的纳米碳纤维直径介于50到70 nm之间,表面形貌均匀。利用脉冲电化学沉积法在制备的纳米碳纤维表面分别包覆Ni(OH) 2、 Co(OH) 2和MnO 2。通过对Ni(OH) 2和Co(OH) 2热处理获得了NiO和Co 3O 4包覆层。用SEM、Raman、XRD、FT-IR等方法表征其微观形貌及成分结构,结果表明通过电化学沉积在纳米碳纤维表面所得到的沉积物分别是纳米纤维状 MnO 2、纳米片状α-Ni(OH) 2和纳米片状α-Co(OH) 2,热处理后α-Ni(OH) 2和α-Co(OH) 2分解为NiO和Co 3O 4。在2mol/L KOH电解液中测试样品的循环伏安、恒电流充放电及交流阻抗特性,所有氧化物及氢氧化物包覆都表现出明显的赝电容特征。在1A/g电流密度下充放电,Ni(OH) 2和Co(OH) 2包覆的纳米碳纤维最高比电容可达819F/g和 375F/g,而氧化物MnO 2、NiO和Co 3O 4包覆的纳米碳纤维在1A/g的最高比电容分别为391F/g、439F/g、528F/g。通过改变沉积时间制备了不同厚度的包覆层,测试了其形貌结构和电化学性能,研究了沉积时间对其超级电容性能的影响,确定了上述各包覆层3mA/cm 2 电流密度下的最佳沉积时间。关键词:超级电容器;纳米碳纤维;金属氧化物;电化学沉积哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-II- Abstract As a new type of energy storage device, supercapacitorshave a lot of advantages such aslow costs, long cycle life, high power density,and is a kind of energy storage device with the performance intermediate between physical capacitors and chemical b