纳米多孔镍的制备及其电容性能研究
Fabrication of Nanoporous Nickel Electrode with Super Capacitive Performance
随着对化石能源的过度依赖和消耗,人类逐渐面临严重的环境恶化问题和能源枯竭危机.为实现替代化石能源、缓解能源危机的目标,必然选择开发和利用可持续发展的新能源和新型能源装置.超级电容器作为新型的储能元件,它不仅具有比传统电容器更高的能量密度,而且具备比电池更高的功率密度,因此成为人们关注和研究的热点.电极材料是决定超级电容器综合性能的最主要因素.当下电化学电容器的有利发展方向之一就是在已有的研究基础上,开发具有高容量的新型电极材料.因此本论文以提高材料的电导率和比表面积为出发点,开展一系列三维纳米多孔廉价镍电极材料的设计、制备与性能研究.通过探究三维多孔结构的设计制备、过渡金属氧化物与多孔金属之间的复合,以及考察前驱体组分、腐蚀电位等因素对电极材料电容性能的影响等,以期达到进一步改善超级电容器材料电容性能的目的.本论文主要研究内容如下:(1)合金元素配比对材料催化性能的影响.以两种不同镍含量的Ni-Al合金作为前驱体,采用脱合金法制备了纳米多孔镍材料(NPN),考察了镍含量对材料微观结构及其电化学性能的影响.研究发现:在相同脱合金条件下由Ni33.5Al66.5制备的材料(NPN1)表面形成了无规则的连续韧带-通道结构,由Ni30.8Al69.2得到的材料(NPN2)表面则是均匀的连续韧带-通道结构;由Ni33.5Al66.5制备的纳米多孔镍(NPN1)的比容量更高,在7 mA·cm-2的电流密度下给出了1.134 F·cm-2的比电容值,比NPN2(0.261 F·cm-2)的比容量高4.3倍.本文对这一现象进行了探究,发现合金元素配比决定了多孔材料的相组成和形貌结构,由于α-Al相的存在可加速脱合金过程导致材料表面出现裂缝,使得材料具有开放的孔结构和更大的比表面积.(2)腐蚀电位对材料性能的影响.以镍含量为25%的Ni-Mn合金作为前驱体,采用脱合金法制备了多孔镍材料,结合文献考察了腐蚀电位对材料微观结构的影响,进一步探究了材料的电化学性能.文献中Ni25Mn75在腐蚀电位为-750 mV时得到的材料表面呈现"泥裂"结构,而由同一前驱体合金在相同腐蚀时间条件下制备的材料,腐蚀电位为-900 mV时得到的材料既保留了合金框架,又使材料表面的大裂缝减少并变浅,小裂缝相应增多.本文对这一现象进行了探究,发现腐蚀电位决定了多孔材料的形貌结构.由于腐蚀电压较大时腐蚀速率较快,腐蚀程度相应增大,随着Mn的溶解前驱体合金缺陷增多,导致内应力增加.又由于Ni的扩散速率较低,来不及填充Mn的空位,产生了较多的裂纹,所以裂纹的数量与尺寸呈现明显差别.电化学性能测试表明该纳米多孔镍电极材料在电流密度为0.028 A·cm-2时面积比电容为1.58 F·cm-2.(3)多孔纳米镍薄膜材料的制备.为了改善NiO的导电性,以纳米多孔金为基底,采用界面化学镀的方法在其表面上修饰金属Ni,Ni与空气中的氧接触形成NiO,得到纳米多孔氧化镍的薄膜材料.在实际应用器件中,电极材料越薄、电阻愈小、比表面积越高,其催化活性就越强.又由于镍具有硬度高、熔点高等特点,不易通过熔炼制合金法制备出薄膜材料.因此本文尝试以多孔金作为材料的支撑结构,不仅提供了连续的导电和多孔的导离子结构,而且材料本身可作为集电器,无需导电剂和粘结剂,可以大幅度简化电容器组装步骤.此外,基底材料还可以与镍产生协同效应.制得的纳米多孔镍的薄膜材料(NPN)与微粒材料等相比,既克服了颗粒间的团聚现象,又提高了NiO的比表面积和双电层电容,还大幅提高了材料的氧化还原活性位点,最终改善了材料的综合性能.实验结果表明NPN的质量比电容和体积比电容分别为387 F·g-1和973 F·cm-3.材料的阻抗曲线斜率远大于45°,表现出接近纯电容的优良性能.
- 作者：
- 代思月
- 学位授予单位：
- 伊犁师范学院
- 专业名称：
- 化学工程(专业学位)
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 闫秀玲
- 中图分类号：
- TB383；TM53
- 关键词：
- 纳米多孔镍；复合膜；腐蚀电位；超级电容器；电容性能
- Nanoporous Nickel; Composite Film; Corrosion Potential; Super Capacitor; Capacitance Performance;