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多维纳米复合材料作为超级电容器和氧还原反应的先进电极材料

Shehnaz  
【摘要】:对能源需求的不断增加是当今世界面临的最大挑战之一,而且这种需求可能很快就会超过目前已知的能源转换和存储技术(如太阳能电池、燃料电池、锂离子电池和超级电容器)所能获得的能量总量。这些装置的最大输出效率似乎也已经达到所采用的电化学材料的固有极限。因此,通过控制物质尺寸、形状、几何结构以及可能显著改善这些电化学装置性能的因素来开发新的电极材料已经成为当前研究的重点。在已知的电化学材料中,纳米复合材料由于其独特的电子、机械、物理、化学和结构特性,为设计高性能储能和能量转换装置开辟了一个新的研究领域。本论文重点研究了具有不同形貌的纳米尺寸多维材料的合成及其电化学和电催化性能。具体研究内容如下:制备了一维聚吡咯纳米链(PPy-NCs),并采用氢氧化钾(KOH)活化及在较低温度(500-800 ℃ C)下碳化。上述制备的样品用于高性能超级电容器和催化氧还原反应(ORR)。研究结果表明:800 ℃ 碳化所得的PPY-NCS-800在2 mV s-1扫描速率下,电解质溶液为1.0 M KOH溶液时,其质量比电容为1502 F g-1,并且在1500次循环后的电容保持率为93%。此外,PPy-NCs-800在碱性介质中催化ORR反应时表现为理想的4e-转移过程,也体现了其具有良好的电催化活性。制备了用于高性能超级电容器和催化ORR反应的含或不含过渡金属的聚苯胺(PANI)基微/纳米材料。一维铁钴PANI纳米棒在1 mV s-1扫描速率下,其质量比电容高达1753 F g-1,并且在1000次循环后的电容保持率为89%。在不同的PANI基电催化剂中,铁-PANI在碱性电解质中表现出4e电子选择性,因此具有较高的ORR催化性能。制备了具有独特形貌(菊花状)的碳载过渡金属铁氧体(CS-NiCoFe2O4),并研究了其作为超级电容器和ORR的电极材料的性能。上述制备的CS-NiCoFe2O4,其比表面积为315 m2g-1,在2 mV s-1扫描速率下,电解质溶液为1.0 M KOH溶液时,其质量比电容为1550 F g-1,并且在1500次循环后 电容保持率为95%。此外,CS-NiCoFe204在碱性介质中催化ORR反应时表现为理想的4e-转移过程以及具有较高的电流密度,也体现了其具有良好的电催化活性。综上所述,通过调控微观结构、形貌和组成,我们设计合成了具有高容量,长循环稳定性和高电催化活性的新型纳米复合电极材料。结果表明,过渡金属氧化物与碳材料之间的协同化学耦合效应导致了其独特的电化学和电催化活性。


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