基本信息
- 项目名称：
- 纳米孔氧化镍立方体的制备及其超级电容性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 能源紧缺和气候变暖等问题，使得人们对新型能源的开发利用愈加重视。超级电容器作为一种能量存贮装置，有着许多普通电池和电容器所不能同时具有的良好特性，因此有着广泛的应用前景，是目前国内外能源研究领域的一个热点。 本论文探讨了纳米孔氧化镍立方体的烧结温度、时间和形貌对其电容性质的影响。我们利用沉淀-焙烧这种简单的方法制备出一种比电容大、循环稳定性能好、易于工业化生产的氧化镍电极材料。
- 详细介绍：
- 本文中，我们优化了一种高性能氧化镍超级电容器电极材料的制备方法，获得了一种制备方法简单，比电容大，循环稳定性能优异的氧化镍电极材料。本工作主要讨论了热处理温度和时间对材料形貌和超级电容性能的影响，同时利用XRD、SEM和TEM对材料的形貌和结构进行表征和分析以及利用电化学工作站对氧化镍材料的电化学性质进行了测量和比较。 主要结论如下： 1. 本文中制备的氧化镍材料具有很高的比电容，在2 mV/s的扫描速度下比电容最高达361 F/g。 2. 本文采用的沉淀-焙烧的方法制备的氧化镍材料是尺度均一的纳米立方体，同时具有纳米微孔的微结构。 3. 本文中制备的氧化镍具有优异的循环稳定性，在2000次连续充放电后保持原有约90%的比电容。 4. 本文中通过一定温度范围内提高焙烧温度（S1和S3）或延长焙烧时间(S1和S2)，NiO基本粒子不断长大。这可以通过XRD谱图中的峰变得越来越尖锐，半宽高减小得到证实。同时也可由TEM照片直接得到验证。 5. 本文中的电化学数据表明提高焙烧温度或延长焙烧时间，氧化镍材料的比电容将一定程度上减小，但是晶体结构将趋于稳定，进而使得循环稳定性有一定程度的提高。因此优化合适的焙烧时间和温度是获得高比电容、高循环稳定性材料的重要手段。 6. 本文中的Nyquist图表明由于氧化镍电极材料的纳米微孔的微结构有利于离子的运输，使得超级电容器的电荷转移电阻比通常文献中报道的数值小，电阻的典型值小于5欧姆，这使得较少的能量在超级电容的这部分损耗。
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撰写目的和基本思路
- 能源紧缺和气候变暖等问题使得人们对新型能源/储能装置的开发越加重视。超级电容器这种新型储能装置由于成本较高，一直制约其发展和应用，因此开发制备简单，成本低廉的超级电容器电极材料有着十分重要的意义。围绕绿色合成、成本低廉和优异的电化学性质三个主要目标我们展开了一系列的探索研究。通过比较焙烧时间和温度对氧化镍材料电容性质的影响，优化了制备方法，并获得了满足上述要求的多孔纳米立方氧化镍材料。
科学性、先进性及独特之处
- 本论文探讨了纳米孔氧化镍立方体的烧结温度、时间和形貌对其电容性质的影响。同时通过CV、CP和EIS等电化学方法具体地研究了其电容性质，获得了一种制备方法简单、比电容大、循环性能好、具有良好应用前景的超级电容器电容材料。
应用价值和现实意义
- 超级电容器作为一种能量存贮装置，有着许多普通电池和电容器所不能同时具有的良好特性，如比起电池有较大的功率密度、较长的使用寿命;比起传统电容器有着较高的能量密度，因此有着广泛的应用前景，是目前国内外能源研究领域的一个热点。本论文研究的氧化镍材料具有制备方法简单、比电容大、循环性能好的优点，并具有良好的应用前景。同时本论文也验证了形貌对纳米材料性质的重要影响。
学术论文摘要
- 本文利用草酸镍的热分解制备了单分散性纳米孔氧化镍立方体材料，并利用XRD、SEM和TEM对材料的形貌和结构进行表征和分析。同时研究了热处理温度和时间对材料形貌和超级电容性能的影响。电化学测试表明这种纳米孔氧化镍立方体材料具有很高的比电容，在2 mV/s的扫描速度下比电容高达361 F/g。并且此材料有优异的循环稳定性，在2000次连续充放电后保持原有约90%的比电容。研究结果表明NiO电极材料形貌和结构对其超级电容性能有着重要影响。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1 P. Simon, Y. Gogotsi, Nat. Mater., 2008, 7, 845–854. 2 K. H. Chang, C. C. Hu, C. Y. Chou, Chem. Mater., 2007, 19, 2112–2119. 3 C. Z. Yuan, L. Chen, B. Gao, L. H. Su, X. G. Zhang, J. Mater. Chem., 2009, 19, 246–252. 4 C. Z. Yuan, X. G. Zhang, L. H. Su, B. Gao, L. F. Shen, J. Mater. Chem., 2009, 19, 5772–5777. 5 W. Xing, F. Li, Z. F. Yan, G. Q. Lu, J. Power Sources, 2004, 134, 324–330. 6 F. Jiao, A. H. Hill, A. Harrison, A. Berko, A. V. Chadwick, P. G. Bruce, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 5262–5263. 7 H. W. Yan, C. F. Blanford, B. T. Holland, M. Parent, W. H. Smyrl, A. Stein, Adv. Mater., 1999, 11, 1003–1006. 8 C. C. Yu, L. X. Zhang, J. L. Shi, J. J. Zhao, J. H. Gao, D. S. Yan, Adv. Funct. Mater., 2008, 18, 1–11. 9 电化学超级电容器--科学原理及技术应用, （加）康维（Conway，B.E.）著，陈艾，吴孟强，张绪礼，高能武 等译，化学工业出版社。
同类课题研究水平概述
- 超级电容器按储能机理分主要可以分为两类：双电层电容器和赝电容器。目前双电层电容器已经商业化，而理论特性更好的赝电容器目前主要还是处于实验研究阶段。赝电容器的研究则主要集中在电容电极材料的优化上，其电极材料主要分为以下两类：碳基表面改性电极材料，金属氧化物电极材料与导电聚合物电极材料。 对于金属氧化物电极材料来说，无定形的水合氧化钌具有很高的比容量，并且循环性能好，但它成本昂贵，而且对环境有污染，同时其作为电极材料需要利用很强的酸性溶液（例如硫酸）作为电解液。因此必须寻找一些能代替水合氧化钌的金属氧化物电极材料。相关研究表明其他一些廉价金属氧化物，如：氧化锰、氧化镍与氧化钴等，有着与水合氧化钌相似的功能。其中氧化镍具有较高的比电容率，并且资源丰富、价格低廉，使用中性电解质等，得到了越来越多的关注，具有良好的商业应用前景。 目前，除了非常薄的氧化镍薄膜外，文献中所报道的氧化镍的比电容的典型值是100-300 F/g。由于微/纳米结构材料具有粒子尺寸小、比表面积大等特点，因此，通过制备微/纳米结构的材料通常可以有效的提到比电容并改善其他相关的电化学性能。此外，研究还发现，通过改变氧化镍的制备方式及反应条件，可以有效的调控产物的形貌与结构，从而对其超级电容性能产生重要的影响。Devaraj和Munichandraiah通过实验证明电极材料的电容值与其形貌和结构密切相关，因此研究和构筑不同形貌的氧化镍材料对改进氧化镍作为超级电容器电极材料具有很重要的意义。 综上，制备尺寸均一的纳米氧化镍，并探究形貌与结构对材料电容性质的影响，对改进氧化镍电极材料的电容特性具有重要的研究价值。
