铁族金属复合材料的设计、制备以及电化学性能研究

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本文制备了两种复合电极材料,分别为多壁碳纳米管(MWCNTs)与铁、锰金属氧化物的复合材料和镍、钴金属硫化物与铁金属氧化物的复合材料,并分别研究了两种电极材料在超级电容器中的电化学性能。主要研究内容如下1.通过简单的水热法合成了具有三维网络结构的Fe3O4/CNTs@MnO2超级电容器负极材料,碳纳米管作为生长Fe3O4纳米粒子的基材被MnO2膜包裹,其紧密连接的各相以及呈现出的三维结构能够为离子和电子的传输提供多通道路径。另外,该三维纳米结构具有较大的比表面积,增加了反应活性位点,从而大大提高了电化学性能。因此,当其作为超级电容器的电极使用时,Fe3O4/CNTs@MnO2在1 A g-1时表现出643.8 F g-1的高比电容。同时具有优异的循环稳定性(在3A g-1,5000次循环之后的比电容为283.3 F g-1)。组装的对称超级电容器(SSC)器件(Fe3O4/CNTs@MnO2//Fe3O4/CNTs@MnO2),在847.9 W kg-1的功率密度下实现了52.98 Wh kg-1的高能量密度以及良好的循环稳定性(在1 A g-1,循环10000圈之后,比电容保持率为63%)。值得一提的是,电容保持率从第2000次到第10000次循环的过程中没有发生变化。2.实验采用简单的搅拌方法,在Fe2O3纳米粒子前躯体表面生长NiS/Co3S4纳米片状结构,制备了Fe2O3@NiS/Co3S4(Fe2O3@Ni1Co1-S)电极。该纳米电极材料本身具有较多的电化学活性位点,因此Fe2O3@Ni1Co1-S电极表现出了较高的电化学性能。此外,在电流密度为1 A g-1的情况下该电极表现出了1213.7 F g-1的高比电容值,同时具备优异的循环性能(5 A g-1,循环5000圈之后,比电容保持率为81%)。为了进一步研究该电极材料的实际应用性,当组装成Fe2O3@Ni1Co1-S(正极)//AC(负极)非对称性超级电容器时,该组装的器件在1125 W kg-1的功率密度下实现了37.4 Wh kg-1的高能量密度。因此,Fe2O3@Ni1Co1-S作为超级电容器电极材料具有很大的应用潜力。两种复合材料的制备方法简单且环保,并表现出优异的电化学性能。因此,为基于铁族金属的超级电容器材料的制备提供了新的策略。
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