【摘 要】
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随着科技和新能源的发展,超级电容器作为一种同时具备高能量密度和高功率密度的储能器件,受到了广泛关注。利用阳极氧化的方法在钛片上制备的TiO2纳米管膜,具有高比表面积和良好的电化学性能;且钛基底可直接作为集流体,这使得TiO2纳米管膜成为超级电容器的备选电极材料之一。本文主要研究了钛片和钛合金的阳极氧化,对TiO2纳米管和钛合金复合氧化物纳米管进行掺杂改性,旨在改善基于TiO2纳米管电极的超级电容器
【基金项目】
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国家自然基金（项目批准号:51777097, 51577093）
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随着科技和新能源的发展,超级电容器作为一种同时具备高能量密度和高功率密度的储能器件,受到了广泛关注。利用阳极氧化的方法在钛片上制备的TiO2纳米管膜,具有高比表面积和良好的电化学性能;且钛基底可直接作为集流体,这使得TiO2纳米管膜成为超级电容器的备选电极材料之一。本文主要研究了钛片和钛合金的阳极氧化,对TiO2纳米管和钛合金复合氧化物纳米管进行掺杂改性,旨在改善基于TiO2纳米管电极的超级电容器性能,全文研究结果如下:1、采用恒流阳极氧化法在钛片上制备了TiO2纳米管阵列,并利用在TiO2纳米管退火过程中加入低熔点金属的手段进行金属掺杂。在TiO2纳米管退火过程中加入Zn或Sn金属粒,可形成Zn掺杂（Zn-TiO2）和Sn掺杂（Sn-TiO2）纳米管。同时,通过提高退火温度和延长退火时间可有效地增加元素掺杂量。Zn和Sn元素的加入都能够改善样品的超级电容性能。其中在500℃下掺杂退火时间为5 h制得的Zn-TiO2纳米管具有最佳的电化学性能,与TiO2纳米管相比其面积比电容提高了90.7%。2、通过钛合金的阳极氧化,可在合金基底上得到复合氧化物纳米管。通过调节阳极氧化工艺参数,成功在Ti-Ni合金和Ti-Fe合金上制备出了复合氧化物纳米管。钛合金中少量其他元素的存在对纳米管整体的生长规律影响不大。Ti-Ni合金复合氧化物纳米管和Ti-Fe合金复合氧化物纳米管的电化学性也都优于TiO2纳米管。特别是Ti-Fe合金复合氧化物纳米管,在0.5 M Li2SO4溶液中,电流密度为0.5 m A cm-2时,2.24μm厚的样品的面积比电容达到了36.5 m F cm-2;并且样品在1500圈循环后的电容保持率为81.6%。3、为进一步改进Ti-Fe合金复合氧化物纳米管电极的超级电容性能,使用电化学氢还原和硫蒸气处理样品。在KOH溶液中电化学氢还原的Ti-Fe合金复合氧化物纳米管的比电容值得到进一步提高,且表现出良好的循环稳定性。硫蒸气处理过的Ti-Fe合金复合氧化物纳米管在1 M H2SO4溶液中也显现出了优异的超级电容性能,且具有最佳的循环稳定性,在6000次循环结束后仍保持了86.3%的初始电容。
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