铁基复合材料的设计、制备及作为超级电容器电极材料的研究

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二十一世纪,随着化石燃料的耗尽,人类正逐渐尝试开发新型能源,以解决当今能源不足及环境污染等问题。与此同时,一些新型能源转换装置也应运而生,如太阳能电池、锂离子电池以及超级电容器等。在诸多能源转换装置中,超级电容器因具有能量密度大,功率密度高以及充放电速率快等特点,引起了科研人员的广泛关注。正是由于这些优势,超级电容器在电子通讯、工业电源设备、电动汽车、航空航天以及国防科技等方面存在着巨大的潜在应用价值。而对超级电容器而言,电极材料的选取决定了该电容器性能的优劣,目前电极材料主要分为三类即:金属氧化物材料、导电聚合物材料以及碳材料。因此,本研究主要制备了铁基纳米材料,及其与碳材料、导电聚合物材料复合得到的复合材料,并对该复合材料进行了电化学性能研究。1.甘油诱导氧化铁纳米材料的物相和形貌的变化及其电化学性能研究以FeCl3·6H2O提供铁源,尿素作为沉淀剂,丙三醇(甘油)和水作为混合溶剂,通过改变丙三醇和水的配比,在高温高压水热条件下成功制备了不同种类的铁氧体纳米材料(包括:三氧化二铁(α-Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)以及甘油酸铁(Fe-glycerate))。并且通过控制不同的反应时间探究了α-Fe2O3的生长过程及通过对甘油酸铁在空气和氮气中进行热处理分别得到了γ-Fe2O3以及C掺杂的γ-Fe2O3。并采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子衍射(XPS)等分析手段对材料的形貌、结构进行分析。最后利用电化学工作站,对材料的电化学性能测试,结果表明,在电流密度为1 A/g下,Fe3O4的质量比容量可达427 F/g,经过5000次充放电循环之后,容量保持率可达79.5%。2.N,S-Fe3O4@N-pC的制备及其电化学性能研究以吡咯(Py)作为单体,对甲苯磺酸(p-TSA)为掺杂剂和表面活性剂,通过逐滴滴加过硫酸铵(APS)引发剂,发生氧化聚合反应在实验一水热条件下得到的β-FeOOH上包覆一层聚吡咯,得到核-壳结构的β-FeOOH@PPy纳米茧。另外,通过在氮气氛围,不同温度下对β-FeOOH@PPy进行热处理,最终得到N,S-Fe3O4@N-pC纳米复合材料。电化学研究表明,所制备的β-FeOOH、β-FeOOH@PPy及NS-Fe3O4@N-pC在充放电过程中均存在赝电容行为。在电流密度为1 A/g下,其质量比容量分别可达325 F/g、617 F/g以及866 F/g。NS-Fe3O4@N-pC在电流密度为10 A/g下,其质量比容量仍可达383 F/g,在经过5000次充放电循环之后仍有78.2%的容量保持率。并且将NS-Fe3O4@N-pC作为正极,碳纳米管作为负极材料,2 mol/L的KOH作为电解液组装成不对称器件,在双电极系统下,电流密度为1 A/g时,比容量可达117 F/g,以及在功率密度为700.2 W/Kg时,能量密度可达38.9 Wh/Kg。另外,在电流密度为4 A/g时经过5000次充放电循环之后,容量保持率可达91.6%。3.核-壳Fe3O4@N-pC的制备及电化学性能研究以乙二醇作为溶剂,聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂,FeCl3·6H2O提供铁源,醋酸钠为沉淀剂在高温高压的水热条件下制备出Fe3O4纳米微球,再通过原位聚合反应,在微球表面上包覆一层聚多巴胺,得到Fe3O4@PDA,之后在氮气氛围下,通过高温热处理Fe3O4@PDA得到Fe3O4@N-pC纳米复合材料。通过调节聚多巴胺壳层的厚度,进而调节N-pC的厚度,电化学性能也会不同。电化学研究结果表明,纯Fe3O4纳米微球的比容量为425 F/g,电势窗口为0.4 V,包覆上碳层之后,比容量可达630 F/g,电势窗口略有提高,为0.42 V。经过5000次循环后,容量保持率为79.5%。4.蛋黄-蛋壳型Fe3O4@MnO2微球的构建及其电化学性能研究在Fe3O4的外侧包覆一层分级、片状的MnO2,利用碳与KMnO4反应时,碳向外侧溶解的特性,得到蛋黄-蛋壳结构的Fe3O4@MnO2复合材料。所采用的中间层碳是由聚多巴胺(PDA)在氮气氛围下热处理转化而来。电化学结果表明,在1 A/g电流密度下,Fe3O4@MnO2的比容量为715 F/g,相比于纯Fe3O4的比容量442 F/g有了进一步地提高。在电流密度为10 A/g时,Fe3O4@MnO2具有450 F/g的优异倍率性能。另外,为了研究Fe3O4@MnO2在实际中的应用,由Fe3O4@MnO2和聚多巴胺产生的N-pC组成不对称装置,该器件在750 W/kg的功率密度下具有31.3 Wh/kg的能量密度和长期稳定性(电流密度为4 A/g,5000次循环后仅有5.3%的初始电容损失)。
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