过渡金属氧化物纳米粒子的电容性能研究

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过渡金属元素是指元素周期表中处于d区的一系列元素,价层轨道中存在未成对电子,因此具有与其他元素不同的理化性质。过渡金属氧化物一般具有突出的功能性而受到广泛的关注。过渡金属氧化物由于具有与贵金属氧化物相似的核外电子结构,因此具有相似的赝电容性能,其比电容为碳电极材料的1100倍左右,是一种很有潜力的电化学电容器材料。过渡金属氧化物除了具有突出的赝电容性能,还可以制备成复合电极,进而对复合电极的形貌、成核生长及活性产生影响。鉴于过渡金属氧化物在各个领域的广泛应用,越来越多的科研工作者们开始致力于过渡金属氧化物纳米材料的制备、合成以及性能研究。本文分别制备了四氧化三钴(Co3O4)、四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化钨(WO3)、二氧化锡(SnO2)、氧化铜(CuO)和氧化镍(NiO)的纳米粒子。并对其组成、结构、表面形貌和电容性能进行了分析。讨论了四氧化三锰(Mn3O4)和四氧化三钴(Co3O4)的掺杂对PbO2复合电极的组成、结构、表面形貌和赝电容性能的影响。主要结果如下:(1)所制备的过渡金属氧化物纳米粒子的结构和表面形貌通过现代物理测试技术(XRD、SEM)进行物理表征:纳米Mn3O4为四方晶相,粒径为4060nm左右,分布均匀且分散性良好;通过改变表面活性剂制备的纳米Co3O4为尖晶石结构,为粒径约610nm的立方体,表面活性剂油酸钠有利于纳米Co3O4粒子的分散;通过使用不同表面活性剂制备的纳米WO3为200nm×200nm×10nm的纳米片,表面活性剂十二烷基硫酸钠有利于纳米WO3粒子的分散;纳米SnO2为金红石相,粒径为58nm左右;通过改变NH4CO3的滴加方式制备的纳米CuO分别为180200nm的均匀球型和350nm×175nm的纺锤体型;纳米NiO的粒径为5060nm左右,分布均匀且分散性良好。(2)所制备的过渡金属氧化物纳米粒子的电容性能通过电化学工作站进行电化学测试:纳米Mn3O4的比电容最大,为206F/g,纳米SnO2的比电容为最小,为102F/g;本文从活性元素的核外电子结构分析了几种过渡金属氧化物材料的电容性能变化规律:活性元素的核外电子数越少,越容易失去电子而发生氧化还原反应产生赝电容,因此纳米Mn3O4的电容性能最好。(3)纳米Mn3O4和纳米Co3O4的掺杂对复合电极赝电容性能的影响过渡金属氧化物的掺杂对PbO2基复合电极的组成、表面形貌和赝电容性能有巨大影响。同纯PbO2电极相比,复合电极表面的晶粒尺寸由几微米变成几十纳米;形成了三维多孔结构;电极的有效利用面积得到了提高。掺杂了Mn3O4和Co3O4后的复合电极的比电容分别为338F/g和215F/g,与纯PbO2电极相比赝电容性能有了很大的提高。
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