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    氧化镍纳米复合材料制备及表征高分子材料专业

    时间：2021-04-23 15:07:49 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人 蒲公英阅读网手机站

    相关热词搜索：表征 制备 复合材料

    　 1

    　氧化镍纳米复合材料的制备及表征

    　摘要

    　现如今，全球范围内的环境污染问题愈发严峻，本就有限的不可再生资源被人类急剧消耗，使得研讨可再生能源的紧迫性增大。但是，类似于风能以及潮汐能等多样化可再生能源动力，往往由于受到来源于自然条件的种种局限，而并不含有相对良好的稳定性，其理论运用效率和范畴被较大限度的限制住了。在此背景下，由于超级电容器表现出尤为显著的贮存性能，可迅速释放出能量，并且富含较高的环保性能，故而全球诸多学者纷纷对其进行如火如荼的各项研究。在这之中，至关重要的电极材料，即为各种类型的过渡金属氧化物。而其中尤为关键的当属氧化镍。对于氧化镍而言，当其作为电极材料时，不仅表现出尤其显著的电化学特性，而且还含有极为丰富的理论比容量。氧化镍的获取和制备过程对自然资源和环境是比较友好的，能够保证良好的环保特性。本论文准备用一种较为简单的方法进行了氧化镍纳米复合材料的制备及表征。将在预处理后的碳布上直接电沉积ZnO 纳米棒阵列，在其上沉积镍纳米颗粒层形成 Ni/ZnO 复合，其次，基于热处理工序，针对既定的 Ni/ZnO 纳米棒阵列，进行相应的局部氧化，以此来获得性能优良的 Ni/NiO 核-壳纳米复合材料，并据此进行深入细致的电化学基本性能测试。

    　 2 关键词：

    　ZnO；Ni/NiO；核-壳纳米结构；超级电容器

    　 Abstract In the face of increasing environmental pollution and the increasing consumption of traditional non-renewable energy sources, research and development of clean, environmentally friendly and renewable energy sources is imminent.However, the current stability of renewable energy sources such as wind, solar, and tidal energy is severely affected by natural conditions, limiting their practical application efficiency and range.Supercapacitors have attracted much attention because of their unique storage performance, fast release energy, long service life, good temperature characteristics and environmental protection. They have become the research hotspots, among which supercapacitors with transition metal oxides as electrode materials are the most popular. People pay attention.Among the metal oxides of electrode materials, nickel oxide not only has excellent electrochemical performance, but also has a theoretical specific capacity of 2573 F/g, and is rich in natural resources and environmentally friendly, and is very suitable for application in ultracapacitance.In the research work of this thesis, we prepared Ni/NiO core-shell nanostructures by a simple and gentle method.Ni/NiO

    　 3 core-shell nanocomposites were successfully prepared by directly electrodepositing ZnO nanorod arrays on pretreated carbon cloth, depositing nickel nanoparticle layers thereon, and heat-treating partially oxidized Ni/ZnO nanorod arrays in air. Materials were prepared for electrochemical performance testing. Key words: ZnO; Ni/NiO; core-shell nanostructures; supercapacitors

    　 4

    　 目

    　录

    　摘

    　要 ………………………………………………………………………………I

    　 Abstract…………………………………………………………………………II

    　 第一章 绪论

    　……………………………………………………………………1

    　 1.1 引言 …………………………………………………………………………1

    　 1.2 超级电容器简介 …………………………………………………………1 1.2.1 超级电容器种类和工作原理…………………………………………1 1.2.2 超级电容器性能………………………………………………………3 1.3 超级电容器点击材料 …………………………………………………4

    　1.3.1 碳基材料………………………………………………………………4

    　1.3.2 金属(氢)氧化物材料…………………………………………………5 1.3.3 导电聚合物材料………………………………………………………5 第二章 实验部分 ………………………………………………………7

    　2.1 实验试剂和仪器 …………………………………………………………7 2.2 氧化锌纳米阵列模板的制备 …………………………………………8 2.2.1 实验部分…………………………………………………………………8 2.2.2 实验结果与分析…………………………………………………………9 2.3 氧化镍纳米复合材料的制备 …………………………………………8 第三章 氧化镍纳米复合材料的表征测试

    　 5 3.1 X 射线衍射( XRD )测试 …………………………………………………

    　3.2 电化学测试 …………………………………………………………………

    　3.2.1 循环伏安法……………………………………………………………… 3.2.2 交流阻抗………………………………………………………………… 3.2.3 恒电流充放电…………………………………………………………… 第四章 结果和分析 …………………………………………………………… 第五章 结论 ……………………………………………………………………… 参考文献

    　 ………………………………………………………………………

    　致

    　谢

    　………………………………………………………………………

    　 6 氧化镍纳米复合材料的制备与性能研究

    　第一章

    　绪论

    　1 引言

    　当前时期，中国经济逐步获得相对稳定的蓬勃发展，全球范围内本就有限的不可再生资源被人类急剧消耗，能源危机迫在眉睫。另一方面，工业经济飞速发展阶段引发不可再生能源被大量消耗，汽车排放的多样化不良尾气，例如：C02以及 NO 等，逐步侵蚀着人们赖以生存的生态环境。因而，寻求新的可再生、清洁资源是科学家们致力处理能源污染和耗尽的重点。但由于自然条件的限定和影响，大部分清洁可再生能源应用存在分散性和间歇性、稳定性差、能量转换效率常见问题。为尽可能提高现有资源的实际利用率，全球学者正在致力于开发能够满足人类急剧膨胀需求的新型能源，人们期待着高容量存储、高效率转换新型能源的绿色储能装置的研发。在此背景下，超级电容器应运而生，其可针对海量的能量，进行及时存储以及相应的转换，并同时拥有充电电池和传统电容器两种设备的优良性能。相较于以往的电池而言，其不仅含有尤其显著的比功率，而且含有极为丰富的能量密度 [1] 。它拥有大能量储能、充电速度快、刹时大电流放、循环应用寿命长、比功率大和对环境绿色环保等特点。这种新型储能装置的研究开发在许多领域中有着普遍的使用，例如在航天航空、国防科技、军工产品、电动汽车、电脑等领域，故世界各国十分重视。科学家们致力于研讨超级电容器应用于不同的各个领域。

    　1.2 超级电容器简介

    　1.2.1 超级电容器种类和工作原理

    　超级电容器是一种拥有充电电池和传统电容器两种设备的优良性能的新型能量储存和转化设备。普遍来说，传统电容器的充放电能在霎时实现，显示了其超低的能量密度。而电池的充电时间长则很大限度上阻碍了其运用。超级电容器的充放电所需要的时间普遍为 130s [3] 。超级电容器的能量密度和比功率的大小在电容器和电池之间。按照超级电容器储能机理差别大概有两种类型:双电层电容器、赝电容器 [4]

    　7 (1) 双电层超级电容器

    　 双电层超级电容器是经过电极外表和电解液之间构成,的双电层界面发生电荷的存储和释放，这一过程不发生化学反应，不触及电解液和电极之间的电荷转移 [5] 。双电层电容器由两种碳基材料作为正负极，隔膜和电解液组成。其储能机理理论是通过一种纯物理过程的电荷吸附/脱附过程，这一理论被称为双电层理论，由德国物理学家 Helmholtz 提出，并经过 Gouy 和 Chapman 等对该理论进行补充和完善 [6] 。其原理如图 1:对电容器进行充电时，外加电源使正极板带有正电荷，负极板带有负电荷，形成了稳定电场，于是电解液中的正负离子在电场力的作用下移动到带有相反电荷的电极附近，形成双电荷层。当电容器进行放电时，由于两电极之间存在电位差，故而存在于电解液当中的离子，又将返回至溶液当中，并且逐步趋于稳定，呈现出电中性，在此之后，双电层将完全消失，至此整个放电过程圆满结束 [7] 。该过程只包含简单的离子吸附脱附经典物理储能过程，不涉及材料的电荷转移，极材料本身并没有发生化学变化，避免了电解液在充放电过程中分解失效或许浓度改动，保障双电层电容器性能稳定，循环寿命长。

    　图 1 双电层电容器的工作原理。

    　（2）赝电容器

    　赝电容器实则即针对海量能量进行实时存储的关键工具之一[8] ，由于可逆电化学吸附或氧化还原反应发生在电极活性材料的表面或近表面上。故而，通常情况下，赝电容器还可细分成两大类别，其中重点涵盖氧化还原式的赝电容器，此外，还涉及到吸附式的赝电容器。该容器中所含有的电子，实则均来自正负电极材料所涉及的价带电子，故而其所表现出的充放电功能，实则均由电荷转移率等基本因素所决定[9]

    　 吸附赝电容的基本含义为：当处在二维电化学反应的过程当中，由于某特定

    　8 活性材料所含有的单分子层，将会由于电荷的迁移，而形成脱附现象，由此将会表现出相应的电容特征[10] 。举个例子，氢离子基于铂电极的表面，将会形成一系列吸附反应[11] 。除此之外，氧化还原赝电容的基本含义为；当处于充放电的情况下，某特定的电极活性物质，将会形成一系列可逆的氧化还原反应，并由此具备相应的电容特征[12] 。由于电极材料发生氧化还原反应的同时会造成材料自身的损耗，这使得赝电容器的倍率特性和循环寿命低于双电层电容器。赝电容器的功率密度普遍低于双电层电容器，其原因是氧化还原反应的过程要慢于电荷脱附吸附过程。这样使得赝电容器存储能量过程类似于电池，然而法拉第电容器在短时间内具有高电荷生成，存储能量的速率比电池快。

    　1.2.2 超级电容器性能

    　目前，全球能源领域旨在涵盖三大储能器件:其中重点包含电池以及相应的传统电容器，此外还涉及到现今炙手可热的超级电容器。20 世纪 60 年代，性能优良的超级电容器被研发出来，旨在针对海量能量进行妥善的储存。20 世纪 80年代，西方发达国家逐步倾向于应用超级电容器，在此期间，该项元器件愈发获得相对稳定的迅猛发展。其的研究销售进入商业规模，近年来发展迅速。超级电容器是一种介于传统物理电容器和电池之间的储能装置。

    　表 2

    　传统电容器、超级电容器和电池性能对比图[13]

    　技术参数 传统电容器 超级电容器 电池 额定充电时间 10-6 -10 -3 s 1-30s 1-5h 额定放电时间 10-6 -10 -3 s 1-30s 0.3-3h 能量密度/Wh Kg-1

    　<0.1

    　1-10 20-180 功率密度/W Kg-1

    　>10000

    　1000-2000 50-300 充放电效率 >0.9

    　0.9-0.95 0.7-0.85 循环寿命 几乎无限 >100000

    　500-2000 （1）功率密度尤其显著。实际上，对于超级电容器而言，其虽然内阻不大，然而却表现出尤为良好的抗过充放性能。与此同时，其还能针对电荷进行实时存储和迅猛释放，这是由于，其所具备的输出功率密度，已经超过 10kW/kg，远胜普通电池的数十倍甚至于数百倍。故而将能在极短的时间内迅速放出极高的电流。正因如此，超级电容器才逐步获得相对广泛的实际应用。

    　9

    　（2）充电过程尤为高效。通常情况下，对于双电层电容器而言，充电和放电仅为电极表面所存在的某项物理过程。对赝电容电容器，是一个表面或者近表面的快速高度可逆的电化学过程，所以可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。举个例子，对汽车使用的铅酸电池充电耗时一般超过 8 小时，而如果采用超级电容器供能，一次充电只需要 7～9分钟。显然，超级电容器对用户的便利性已经极大优于二次电池。

    　 （3）循环寿命相对较高。从本质上而言，超级电容器所涉及的充电过程和放电过程，由于实质为某项物理过程，故而不会像电池一样频繁出现脱落等现象，其也因此含有极为优良的循环寿命。对于常规的碳材料电容器而言，其所表现出的理论循环寿命接近于数百万次。但是，当前的绝大多数蓄电池，所表现出的充放电循环寿命，仅仅为百次，远远及不上超级电容器。现如今，在市场中以手机锉电为例的广泛流通的二次电池，所表现出的使用寿命仅为 200 次-300 次。除此之外，镍氢电池通常所表现出的使用寿命，也仅为 300 次。

    　 （4）可以适用更为广泛的温度范围。一般情况下，超级电容器将能基于-40°C-70°C 的环境温度区间，来保持良好工作。故而即使其处于极端温度下，也能有效抵御恶劣环境。正因如此，其在军事领域以及相应的航天领域当中，逐步获得相对广泛的实际应用。

    　 （5）将能在输出过程当中，达到高比功率以及相应的高比能：事实上，假设将超级电容器，和现有的蓄电池之间进行紧密结合，则将可积极构建出科学完善并且性能优良的储能系统。

    　 （6）可进行长期放置。因为其可以持续进行自放电，故而电压将会由于时间的推移而愈发降低，在此情况下，可借助于充电来回归初始状态。

    　...

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