【摘 要】
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超级电容器作为一种新型的绿色储能装置,以其高功率密度和优秀的循环性能等优势而受到广泛关注,但与传统储能装置相比,超级电容器仍存在能量密度低等缺点,如何设计出合理的电极材料成为了现在的研究重点。过渡金属基材料和MXene材料因为具备多活性位点和可调控的表面基团而被广泛运用于超级电容器电极材料中,同时这类材料还具备易合成、无毒无害以及原料易得等优点。本文则基于MXene与过渡金属材料,对其进行改性研究
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超级电容器作为一种新型的绿色储能装置,以其高功率密度和优秀的循环性能等优势而受到广泛关注,但与传统储能装置相比,超级电容器仍存在能量密度低等缺点,如何设计出合理的电极材料成为了现在的研究重点。过渡金属基材料和MXene材料因为具备多活性位点和可调控的表面基团而被广泛运用于超级电容器电极材料中,同时这类材料还具备易合成、无毒无害以及原料易得等优点。本文则基于MXene与过渡金属材料,对其进行改性研究,以简单的方法制备出一系列MXene与镍钴基复合纳米材料,并对其进行了结构表征和电化学性能测试,以探讨其在超级电容器中的实际应用能力。主要研究内容如下:（1）采用水热法在泡沫镍上直接生长了NiCo-MOF,以NiCo-MOF/NF为前驱体,以含有MXene、Ni2+和Co2+的溶液为电解液,通过电沉积工艺制备了MXene-Ni-Co-O@NiCo-MOF/NF纳米片。金属阳离子在MXene层之间的重新分布使得生成的纳米片呈现出独特的六边形形貌。这种独特的形态可以提高材料的电化学性能,同时比电容在1 A g-1下可以达到855.0 C g-1(2137.5 F g-1),经过5000次循环容量仅衰减24.7%。以该材料用作正极,活性炭用作负极组装了器件,在699.6 W kg-1时达到了32.6 Wh kg-1的高能量密度。（2）以碳布作为基底,通过水热法和电沉积工艺制备了一种花状阵列形貌的复合纳米材料,其中使用MXene作为结构导向剂,故将合成材料命名为M-NiCo2O4@NiCo-MOF/CC。通过密度泛函理论（DFT）进行理论计算,在异质结处的态密度（DOS）变化证明该材料在经过复合后电子性能得到有效提高。得益于其独特的花阵列结构,M-NiCo2O4@NiCo-MOF/CC电极在1 A g-1时可以达到1150.0 C g-1(2091.0 F g-1)的高比容量,在6000次循环后,容量仍然保持在90.3%。此外,组装的NiCo2O4@NiCo-MOF/CC//AC非对称超级电容器在750 W kg-1时展现了56.7 Wh kg-1的高能量密度,同时具有优异的循环性能。（3）以Co-MOF为反应基底,通过电沉积工艺合成了一种纳米复合材料,由于将MXene作为添加剂,故命名为M-Ni-Co-O@Co-MOF/CC。形成的三维网状结构能够为电子和离子的传输提供更多的通道,同时能有效防止材料在多次充放电后的团聚。EIS测试证实了该材料具备高电导率,在1 A g-1下可以达到可达到790.5 C g-1(1581 F g-1)的高比容量,经过5000次循环仍然能剩余79.6%的容量。
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