幾種碳鎳基復(fù)合物的合成及其電化學(xué)性能研究

幾種碳/鎳基復(fù)合物的合成及其電化學(xué)性能研究超級電容器由于其優(yōu)秀的特性被認(rèn)為是最具有研究價值的電化學(xué)儲能元件之一。在電容器組分中,電極材料對電容器的性能起著決定性的作用。因此,設(shè)計制備高性能的電極材料是改善超級電容器性能的有效途徑之一。從電容器的產(chǎn)業(yè)化考慮,電極材料需要具有價格便宜、原料儲量大、合成工藝簡單、環(huán)境友好等特點。常用的電極材料包括碳材料、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物等。然而,單一的電極材料固有的缺陷限制了其電化學(xué)性能。碳/金屬基復(fù)合材料可以同時兼顧碳材料的高電化學(xué)穩(wěn)定性和金屬基材料的高比容量等特性,有望成為新型的電極材料。論文中設(shè)計合成新型鎳基材料（鎳基水滑石、氧化鎳和鈷酸鎳）與碳材料（石墨烯、碳空心球）的復(fù)合物,并研究其電化學(xué)性能。具體研究內(nèi)容如下:以AlOOH為鋁源,通過簡單的水熱過程合成了三明治結(jié)構(gòu)的rGO/NiAl-LDH復(fù)合物。水滑石納米片陣列垂直生長在石墨烯納米片兩側(cè),形成的三明治型復(fù)合物具有高達(dá)184.7m²/g的比表面積和良好的孔結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測試結(jié)果表明,這種具有獨特形貌的水滑石復(fù)合物電極材料在電流密度為3.57A/g時的比容量為1325F/g。當(dāng)電流密度高達(dá)17.56A/g時,復(fù)合物的比容量仍高達(dá)851F/g。在高電流密度下（15.30A/g）循環(huán)500圈之后,復(fù)合物的高比容量僅衰減了9%。與單純NiAl-LDH的電化學(xué)性質(zhì)相比,復(fù)合物具有較大的比容量和較高的循環(huán)穩(wěn)定性,這可能是因為水滑石/石墨烯復(fù)合物獨特的三明治結(jié)構(gòu)優(yōu)化了電化學(xué)過程中離子和電子的傳輸路徑。這種在石墨烯表面原位生長水滑石的路線為設(shè)計合成具有獨特形貌結(jié)構(gòu)的LDH/graphene復(fù)合材料提供了新的思路。通過在rGO/NiAl-LDH中摻雜鈷離子,合成一系列的三元水滑石/石墨烯復(fù)合物。鈷離子摻雜在增加電極材料活性位的同時,還影響著復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、形貌及電化學(xué)性能。當(dāng)摻雜量為0.17、0.33和0.5時rGO/Ni_1-xCo_xAl-LDH復(fù)合物仍保持著三明治型結(jié)構(gòu),隨著摻雜量的進一步增大,復(fù)合物中水滑石納米片尺寸增大,三明治結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。當(dāng)鈷含量為17%時,復(fù)合物中Ni_0.83Co_0.17Al-LDH納米片原位生長在石墨烯納米片兩側(cè),形成新型三維rGO/Ni_0.83Co_0.17Al-LDH電極材料。系統(tǒng)研究不同鈷含量下復(fù)合物的電化學(xué)性能,并分析鈷含量和結(jié)構(gòu)形貌對其性能的影響。結(jié)果表明:rGO/Ni_0.83Co_0.17Al-LDH復(fù)合物在五種三元水滑石/石墨烯復(fù)合物中具有最大的表面積（171.5m²/g）,在1A/g電流密度下具有1902F/g的比容量,且具有良好的快速充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。以SiO₂為硬模板,RF為碳前驅(qū)體,三聚氰胺為氮源,通過原位聚合和后處理過程合成含氮的多孔空殼碳球。經(jīng)AlOOH溶膠在氮摻雜的碳空心球基底上的層層包覆和隨后的水熱處理后,水滑石納米片在基底上原位生長形成具有新型結(jié)構(gòu)的雙殼層N-C@NiAl-LDH空心復(fù)合材料。這種雙殼層復(fù)合物具有氮摻雜的碳內(nèi)殼層和LDH納米片原位生長的海膽狀外殼層。復(fù)合物具有高氮含量（約10.53%）、多孔碳?xì)?、大比表面積（337m²/g）和大量的介孔及微孔結(jié)構(gòu)。通過研究結(jié)構(gòu)和形貌相似的N-C@NiAl-LDH、C@NiAl-LDH和NiAl-LDH空心微球的電化學(xué)性能,比較分析氮摻雜和碳復(fù)合對復(fù)合物性能的影響,雙殼層N-C@NiAl-LDH空心復(fù)合材料在1A/g的電流密度下的比容量為1711.51F/g,當(dāng)電流密度增加到10A/g時,比容量仍保持有997.3F/g,同時,復(fù)合物具有優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。以SiO₂@RF核殼結(jié)構(gòu)為基底,通過水熱過程的原位生長和熱處理過程,合成了雙殼層C@NiO空心復(fù)合物材料。水熱過程中,氧化硅微球與溶液中鎳離子反應(yīng)生成外層的硅酸鎳納米片,形成空心結(jié)構(gòu)。煅燒過程中,RF層碳化,硅酸鎳轉(zhuǎn)化成氧化鎳。復(fù)合物與RF@NiSilicate前驅(qū)體具有形似的形貌,具有多孔碳內(nèi)殼層和葉狀NiO納米片外層結(jié)構(gòu)。復(fù)合物中碳材料基底和氧化鎳納米片緊密相連,具有電化學(xué)適宜的孔道結(jié)構(gòu)和高比表面積（217m²/g）。與形貌相似的海膽狀NiO空心球相比,雙殼層C@NiO復(fù)合物表現(xiàn)出增強的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。該方案為設(shè)計合成可用于其它領(lǐng)域的雙殼層碳/過渡金屬基復(fù)合材料提供了新的途徑。通過一步水熱法和后續(xù)煅燒過程制備rGO/NiCo₂O₄石墨烯/雙金屬氧化物復(fù)合物。復(fù)合物由極薄的NiCo₂O₄納米帶和石墨烯納米片構(gòu)成,同時具有大的比表面積（222m²/g）及介孔結(jié)構(gòu)。通過研究不同熱處理條件下單純鈷酸鎳的電化學(xué)行為,確定了復(fù)合物的最佳熱處理溫度。在250°C煅燒下制得的復(fù)合物,在1A/g電流密度下具有1072.9F/g的比容量,且比容量為10A/g時仍