CoAl-層狀雙金屬氫氧化物復(fù)合材料的制備及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用.pdf

1、能源危機(jī)與環(huán)境污染是21世紀(jì)面臨的兩大難題，在這種背景下超級(jí)電容器作為新一代的能源儲(chǔ)存裝置由于具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、充電速度快、功率密度高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，而作為主要決定超級(jí)電容器性能的電極材料也因此成為重要的研究熱點(diǎn)。目前報(bào)道的超級(jí)電容器電極材料主要有過渡金屬基氧化物/氫氧化物/硫化物、聚合物、碳材料等。近年來，層狀雙金屬氫氧化物(LDH)由于具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，使其在催化、吸附、分子篩、超級(jí)電容器等諸多領(lǐng)域顯示了其廣闊的應(yīng)

2、用前景。特別是在超級(jí)電容器上的應(yīng)用，因?yàn)槠洫?dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，使其可以同時(shí)發(fā)揮雙電層與贗電容兩種性質(zhì)的電容量，從而獲得相對(duì)較高的電容量。盡管如此，單一的LDH電極材料在能量密度上依然無法滿足超級(jí)電容器高比電容量的要求，因此近年來的研究重點(diǎn)更側(cè)重于其復(fù)合材料的研究，包括與導(dǎo)電性良好的材料進(jìn)行復(fù)合以及與具有贗電容性質(zhì)的材料進(jìn)行核殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。本文正是基于以上兩方面來研究LDH基復(fù)合材料以及其電化學(xué)性能。
　　采用剝離重堆積方法制備CoAl

3、-層狀雙金屬氫氧化物/還原氧化石墨烯復(fù)合材料(CAN-LDH-NS/rGO)。首先在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，一步共沉淀法合成層間硝酸根的CoAl-LDH(CAN-LDH)。然后將其剝離開來，形成帶正電荷的CAN-LDH納米片(CAN-LDH-NS)懸濁液，并與帶負(fù)電荷的還原氧化石墨烯(rGO)進(jìn)行自組裝形成CAN-LDH-NS/rGO復(fù)合材料。采用X射線衍射(XRD)、紅外光譜(FTIR)、透射電鏡(TEM)、拉曼光譜(Raman)、掃描電鏡(SE

4、M)和比表面積(BET)測(cè)試等表征手段對(duì)所制備材料的形貌以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。采用電化學(xué)工作站和LAND電池系統(tǒng)對(duì)電極材料進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，所制備CAN-LDH-NS/rGO復(fù)合材料在1Ag-1電流密度下，比電容達(dá)到1296Fg-1，比純的CAN-LDH高(682Fg-1)。此外，CAN-LDH-NS/rGO復(fù)合材料在15Ag-1的大電流密度下，經(jīng)過1000次循環(huán)，其比電容量依然維持在90.5％，表明所制備復(fù)合材料具有良好的循

5、環(huán)穩(wěn)定性能。優(yōu)異的電化學(xué)性能離不開rGO高的導(dǎo)電性以及高的比表面積，因?yàn)檫@可以為CAN-LDH的氧化還原過程提供快速的電荷轉(zhuǎn)移以及離子擴(kuò)散速率。
　　兩步法直接在泡沫鎳基體上負(fù)載CoAl-層狀雙金屬氫氧化物/還原氧化石墨烯復(fù)合凝膠(CoAl-LDH/rGO-gel/Ni)。首先，采用一種簡(jiǎn)單的方法在泡沫鎳基體形成還原氧化石墨烯(rGO)凝膠，即rGO-gel/Ni，然后運(yùn)用電沉積技術(shù)將CoAl-LDH納米片負(fù)載到rGO-gel/N

6、i凝膠中，形成復(fù)合凝膠(CoAl-LDH/rGO-gel/Ni)。采用XRD、Raman、TEM和SEM等手段對(duì)所制備材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)以及形貌表征。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，CoAl-LDH/rGO-gel/Ni復(fù)合凝膠在2mA cm-2電流密度下，比電容達(dá)到0.95F cm-2(1262Fg-1)，而純的CoAl-LDH/Ni只有0.40Fcm-2(538.2Fg-1)。比電容的提高可以歸功于石墨烯凝膠的高比表面積可以提供豐富的氧化還原活性

7、位點(diǎn)，以及高的導(dǎo)電率可以提供更快的電荷轉(zhuǎn)移速率。此外，基于組裝的活性炭的不對(duì)稱電容器也顯示了其優(yōu)異的電化學(xué)性能，在2mA cm-2電流密度下，電容值達(dá)到90.4F g-1，能量密度達(dá)到32.14Wh kg-1。在10mA cm-2電流密度下，經(jīng)過2000次循環(huán)后，電容量依舊保持了98.05%，說明其優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　采用模板協(xié)助電沉積方法制備NiP@CoAl-LDH納米空心管陣列(NiP@CoAl-LDH NTAs)。首先采

8、用水熱方法將氧化鋅納米棒(ZnO NRAs)負(fù)載在泡沫鎳上，然后運(yùn)用電沉積方法將NiP沉積在氧化鋅表面，并用3M NaOH將ZnO溶解掉，形成NiP空心納米管陣列(NiP NTAs)，最后運(yùn)用電沉積方法將CoAl-LDH納米片負(fù)載NiP NTAs上形成NiP@CoAl-LDH NTAs。運(yùn)用XRD、XPS、TEM和SEM等手段對(duì)所制備材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)以及形貌表征。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，NiP@CoAl-LDH NTAs在1mA cm-2電

9、流密度下，電容值達(dá)到1.33F cm-2(1112F g-1)，在20mA cm-2電流密度下，電容量依舊保持了74.1%，比純的NiP NTAs與CoAl-LDH都要高。優(yōu)異的電化學(xué)性能離不開NiP@CoAl-LDH空心納米管陣列的存在，以及NiP與CoAl-LDH良好的贗電容性質(zhì)。通過對(duì)活性炭基不對(duì)稱電容器進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明，所組裝的不對(duì)稱超級(jí)電容器在2mA cm-2電流密度下，電容值達(dá)到97.53F g-1，在功率密度為