钴锰氧化物/生物衍生碳复合电极的制备及其在超级电容器中的应用

【摘要】：能源危机与环境污染问题限制着经济的可持续发展,研究开发各种高性能的储能器件及其相关材料以应对电动汽车与便携式电子设备的电源动力和续航问题,成为能源存储与转换领域的关键问题。其中,电化学电容器由于大的电容量以及优异的瞬时充放电性能成为极具潜力的解决方案。过渡金属氧化物(TMO)是电化学电容器中理论比电容较高的电极材料之一,但在实际使用过程中活性材料的自聚和导电性差成为限制其广泛使用的瓶颈。本文以生物衍生碳材料为碳源/载体,以TMO低维纳米材料为活性组分,构筑具有不同形貌的多级孔结构复合材料,以获得高活性的电极材料。主要的研究内容和结果如下:(1)以棉花衍生碳纤维为生物载体和碳源,将Co_3O_4负载于纤维碳基体上,在水和乙醇溶液反应体系中,分别制得了Co_3O_4八面体单晶和二维纳米片包覆多孔碳纤维的核壳管状复合材料。通过XRD、BET、SEM和HR-TEM等方法对所得材料进行结构表征,并探讨了制备条件对不同氧化钴晶粒形成规律及其对电化学性能的影响。(2)在第2章的基础上,选择负载于棉花衍生多孔碳纤维上电化学性能较好的二维纳米片,活性物质由氧化钴扩展到氧化锰,进一步探索了所制得Mn_3O_4@C复合材料在不对称电容器中的性能。(3)通过预碳化得到了具有多孔空心管结构苎麻衍生碳,再通过溶剂热-碳化方法制得了一种高比电容的Co_3O_4@C@Co_3O_4管状复合材料(CNM)。CNM-1复合材料在1 A?g~(?1)下具有较高的比容量(1280.6 F?g~(?1)),15000个循环后仍保持96.89%的容量。且循环充放电测试后,材料结构仍能保持,表明材料具有良好的稳定性。(4)通过KOH高温活化碳化法对自然生物废弃物—谷壳进行预处理,得到了具有多级孔的衍生碳材料。通过后续的水热反应将活性组分花状氧化钴纳米晶负载于多孔衍生碳材料之上,得到多孔碳负载氧化钴的复合材料。三电极下KC-2的比电容量最大为671 F?g~(?1)(0.5 A?g~(?1)),5000次循环后剩余初值的94.01%。组装成不对称电极的性能均高于第3章MCF||AC不对称电容器和纯四氧化三钴粉末组成的Co_3O_4|AC电容器性能,表明该材料在储能设备上的潜在应用价值。(5)引入芦荟汁作为碳基质,采用生态友好、经济的合成方法,制得了一种新型具有多级孔结构的网状Co_3O_4/C复合材料。所得材料具有较高的比电容。将其组装成柔性不对称超级电容器时在功率密度为549 W?kg~(?1)时提供68.17Wh?kg~(?1)的高能量密度。在10000次循环后,该器件仍有87.92%的电容保持率,具有良好的循环稳定性。芦荟汁的利用将是对天然果汁作为碳源使用的良好开端,对水果、糖等植物果汁和溶液具有普遍适用性,在柔性可控电极材料上具有巨大潜力。