论文部分内容阅读
在当今世界环境污染加剧、能源短缺等背景之下,发展清洁能源技术以减少化石燃料的使用显得急迫而重要。超级电容器凭借快速充放电、优异的倍率性能、清洁环保等优点,可作为高功率和便携式能量转换和存储设备。层状双金属氢氧化物(LDH)有多种优良的化学和物理特性,具有巨大的应用潜能,因而吸引了较多的关注。LDH具有独特的层状结构,能提供更多电化学反应活性位点,用作超电容电极表现出优异的电化学性能。然而,精确可控地制备LDH,例如层状结构的厚度控制、材料的形貌优化等仍然是非常大的挑战。原子层沉积(ALD)技术作为一种高效的薄膜制备技术,在材料生长均一性和薄膜厚度控制、新型纳米结构设计、材料成分优化、材料种类选择及均匀保形涂层制备等方面能力突出。本论文利用ALD沉积技术的精准可控优点,设计制备了系列LDH材料,并对其电化学性能进行了深入研究和探讨,主要的内容如下:1.利用ALD技术的辅助,使用NiC204纳米线为牺牲模板的策略,制备出分级的NiAl LDH纳米管。通过SEM和TEM对其形貌和结构进行表征,发现分层的纳米管由超薄的纳米片构筑而成,其中纳米片的厚度可由ALD精确调控。所制备的分层的NiAl LDH材料因具有特殊的纳米结构而能提供大量的离子接触位点和高效的离子传输通道。运用XRD,FT-IR和XPS分别对NiAlLDH纳米管的物相组成和化学元素价态进行表征分析。同时,电化学测试表明,所制备的电极材料在0.5 A/g的电流密度下其比容量高达2123.7 F/g,10000次循环充放电后电容保留率仍有91.9%。比容量、循环稳定性和倍率性能突出。2.进一步结合ALD技术,以泡沫镍为模板沉积氧化铝层,成功制备出无粘结剂的分层Ni(OH)2/NiAl-LDH@C纳米复合材料。SEM和TEM结果表明该电极材料具有分层的纳米结构,Ni(OH)2和NiAl-LDH层次分明地生长在泡沫镍基体上。电化学测试表明,该电极材料的面积比电容为14.0 F/cm,并且在2000次充放电循环后仍有87.2%的电容保留率。超高的面积比电容使其具备巨大的应用潜力,为超级电容器电极材料的应用制备提供了一种新的思路。3.基于NiAl LDH纳米管的制备工艺,在后续水热反应过程中引入钻成功地制备出CoNiAl LDH分层纳米管。通过SEM和TEM观察发现,CoNiAl LDH与上述制备的NiAl LDH形貌相似。引入了 Co离子后电化学性能更为突出,所制备的材料电极最高的比电容可达2782 F/g,当电流密度为20 A/g时,比电容仍然高达1772 F/g。用CoNiAl LDH纳米管电极和活性炭电极组装的非对称超级电容器,表现出了优良的电化学性能。该非对称电容器的可输出能量密度范围为43.7到78.2 Wh/kg,可输出功率密度范围为800到16000 W/kg。