钴酸锌/碳材料复合材料在超级电容器上的应用

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能源是社会发展的基础,化石燃料的燃烧给工业、科技带来全新快速发展的同时也给环境造成了重大的污染。在高速发展的21新世纪,能源和环境问题日渐尖锐,迫切需要寻求更为清洁、有效的新能源来重新分配能源利用方式,旨在开发出既能满足社会发展需求,又能不污染环境的友好型能源。超级电容器最为一种全新储能装置,具有循环寿命长、比电容高、功率密度大、充放电速度快且环境友好等优异的性能,而受到广泛的关注。而电极材料作为影响超级电容器电化学性能的主要影响因素,也被研究的越来越多。钴酸锌(ZnCo2O4)独特的孔径结构、较大的比表面、良好的导电性和较大的理论比容量,使ZnCo2O4成为非常具有发展前景的超级电容器电极活性材料。然而单一的ZnCo2O4电极材料能量密度较低,无法提供更高的比容量。因而近些年来,将单一的ZnCo2O4材料与导电性好或者能量密度较高的材料复合,成为了研究热点。本论文主要将ZnCo2O4材料与水热碳(C)、还原氧化石墨烯(rGO)和氮化碳(C3N4)进行复合,并对复合材料进行形貌结构的表征分析和电化学性能测试。(1)利用水热法成功制备多孔钴酸锌电极活性材料。同时对ZnCo2O4材料进行定性、定量分析以及电化学性能测试,研究发现多孔ZnCo2O4具有疏松多孔的形貌和大的比表面积,非常有利于离子的通过而表现出良好的导电性,使得该电极活性材料表现出优异的电化学性质和电容性能。同时对所制备的电极活性材料用X射线粉末晶体衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、红外(FTIR)和比表面积测试(BET)等表征方法进行结构和形貌的表征分析。采用电化学工作站测试系统和蓝电测试系统对电极材料进行电化学性能测试和电池寿命测试。结果表明经测试,循环2000次后,电容还剩余88.21%,在电流密度是2A/g时,比电容达到600F/g,具有良好的循环稳定性。因其呈现球状且表面是疏松多孔形貌,可以作为配体与其他材料进行复合,制备出比ZnCo2O4材料具有更优越电化学性能的电极材料。(2)通过简单地原位生长水热法在水热碳球表面生长了疏松多孔的ZnCo2O4,成功制备球状ZnCo2O4/C复合材料。同时对所制备的ZnCo2O4/C复合电极活性材料用X射线粉末晶体衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、红外(FTIR)和比表面积(BET)测试等表征方法进行结构和形貌的表征分析。采用电化学工作站测试系统和蓝电测试系统对ZnCo2O4/C复合电极材料进行电化学性能测试和电池寿命测试。研究发现,ZnCo2O4颗粒成功的生长在了水热碳球表面,水热碳球较为均匀的被多孔ZnCo2O4覆盖,极大的增大了多孔ZnCo2O4/c复合材料的比表面积,为电解液离子提供较多的传输通道,加快了氧化还原反应过程从而提高了比电容,使得该电极活性材料表现出优异的电化学性质和电容性能。经测试,循环5000次后,电容还剩余77.71%,在电流密度是2a/g时,比电容达到888f/g,具有良好的循环稳定性。相对于纯的ZnCo2O4电极材料而言,性能具有较大程度的提升。(3)通过水热法在三维立体结构的rgo表面生长了疏松多孔的ZnCo2O4颗粒,成功制备ZnCo2O4/rgo复合材料。同时对所制备的ZnCo2O4/rgo复合电极活性材料用x射线粉末晶体衍射(xrd)、透射电镜(tem)、扫描电镜(sem)、红外(ftir)和比表面积(bet)测试等表征方法进行结构和形貌的表征分析。采用电化学工作站测试系统和蓝电测试系统对ZnCo2O4/rgo复合电极材料进行电化学性能测试和电池寿命测试。研究发现,ZnCo2O4/rgo颗粒成功的生长在了rgo片层表面,形成了多孔ZnCo2O4颗粒裹覆片层的结构,同时极大的增大了多孔ZnCo2O4/rgo复合材料的比表面积,提高了电子传输速率,增大了电容器库伦效率,使得该电极活性材料表现出优异的电化学性质和电容性能。经测试,循环2000次后,电容还剩余88.21%,在电流密度是2a/g时,比电容达到1113f/g,具有良好的循环稳定性。相对于纯的ZnCo2O4电极材料而言,性能具有较大程度的提升。(4)通过简单的水热法在三维片层结构的g-C3N4表面生长了疏松多孔的ZnCo2O4颗粒,成功制备球状ZnCo2O4/g-C3N4复合材料。同时对所制备的ZnCo2O4/g-C3N4复合电极活性材料用x射线粉末晶体衍射(xrd)、透射电镜(tem)、扫描电镜(sem)、红外(ftir)和比表面积(bet)测试等表征方法进行结构和形貌的表征分析。采用电化学工作站测试系统和蓝电测试系统对ZnCo2O4/g-C3N4复合电极材料进行电化学性能测试和电池寿命测试。研究发现,ZnCo2O4成功的生长在了g-C3N4纳米片层结构的表面,极大的增大了多孔ZnCo2O4/g-C3N4复合材料的比表面积,为电解液离子提供了更多的附着点,加速了电离子的通过、提高了电极材料导电性,使得该电极活性材料表现出优异的电化学性质和电容性能。经测试,循环5000次后,电容还剩余85.35%,在电流密度是2a/g时,比电容达到1128f/g,具有良好的循环稳定性。以上充分说明ZnCo2O4/g-C3N4是一种性能很好的电极活性材料,在超级电容器中具有很优越的应用前景。
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