论文总字数：14817字

摘 要

本文通过前驱体硫化法制备了ZnCo₂O₄/CoS电极复合材料。首先通过水热法合成了前驱体，然后进行硫化处理。表征其结构晶型以及表面形貌，并测试其电化学性能。结果表明：前驱体进行煅烧退火处理后在1 A/g的电流密度下比电容仅为38.4 F/g。而前驱体先进行煅烧退火处理再将其硫化处理得到的ZnCo₂O₄/CoS电极复合材料和前驱体直接硫化处理得到的ZnCo₂O₄/CoS电极复合材料，比电容有着显著提升。在1 A/g下，比电容可以达到 208 F/g 和178 F/g。比电容量分别达到初始的97.6 %和119 %（1000次的循环）。

关键词：超级电容器，水热法，电化学性能

Abstract: ZnCo₂O₄/CoS electrode composites were prepared by precursor vulcanization method in this artical. First, the precursor was synthesized by a hydrothermal method and then subjected to a sulfurization treatment. Characterize the crystal form and surface morphology of the structure and test its electrochemical properties. The results show that the specific capacitance of the precursor at the current density of 1 A/g is only 38.4 F/g after calcination annealing. The ZnCo₂O_4/CoS electrode composite obtained by calcining and annealing the precursor and then vulcanizing it, and the ZnCo₂O₄/CoS electrode composite obtained by direct vulcanization of the precursor have a significant increase in specific capacitance. At 1 A/g, the specific capacitance can reach 208 F/g and 178 F/g. The specific capacitance reached the initial 97.6 % and 119% (1000 cycles).

Key words: Supercapacitor, Hydrothermal method, Electrochemical performance

目 录

1 引言 4

1.1概述 4

1.2 本文主要研究内容 5

2 实验部分 5

2.1 仪器和试剂 5

2.2 实验部分 6

3 实验结果与讨论 7

3.1 X射线衍射表征结果 7

3.2 SEM表征结果 8

3.3 形成机理分析 9

3.4 超级电容性能研究 10

结 论 16

参 考 文 献 17

致 谢 19

1 引言

1.1概述

20世纪以来，随着世界工业化的发展，几次工业革命之后，人们对能源的需求量增加，尤其是化石燃料：煤，石油，天然气。随着人们不断的大规模使用，使得一次能源逐渐减少，留给后代的能源越来越少，环境污染等问题也越来越严重，我国很多城市都是雾霾超标，污染严重，给人们的健康带来极大的危害。当今世界，电动汽车和可移动充电设备的广泛使用，对能源存储设备的需求也越来越大，传统的储能设备不能够满足于现状^[1]，我们迫切需要研究出一种新型能源储能设备，超级电容拥有比容量高，可逆性好，快速充放电，循环稳定性高，使用温度范围广，环境友好，维护成本低等优点，当今科学界对此极其重视，得到广泛的研究，传统的能源存储设备比如锂离子电池虽然有着很高的能量密度，但是功率密度低，循环稳定性都不是很好，因此超级电容器有希望成为下一代的能源存储设备，会推动世界工业的发展，如果将来工业化发展可以大量使用超级电容器作为储能设备，就会大大减少化石燃料的消耗^[2]。

影响超级电容器电化学性能主要因素为电极材料，电极材料通常有以下几种类型：第一种是碳材料，机理是双电层吸附与脱附，拥有非常高的稳定性，大的比表面积，但比电容量过低；第二种是金属化合物材料，拥有非常高的理论比电容值，储能机理是发生氧化还原反应；第三种是导电聚合物材料，这一材料是近些年来被发现而广泛研究，但是由于导电聚合物工作温度范围较窄，稳定性也较差，目前只能寻找合适的掺杂导电聚合物材料；第四种是复合材料，将上述各种材料任意两种或多种相互复合起来，取长补短，达到改善材料性能的目的，复合材料被深入研究^[3]。

纳米结构的电极材料也能够影响超级电容的性能，目前已经合成出来有纳米棒，纳米片，纳米丝电极材料^[4-6]。这种电极材料可缩短离子和电子的传输路径，在多次充电放电过程中防止电极结构的破坏，基于上述的种种优点，我们应该在研究三维的纳米结构上面多花费精力时间，以求得到更大的突破^[5]。

电解液作为影响超级电容器电化学性能的第二大因素:目前电解液中水系电解液拥有导电率高，电阻低，可以给超级电容器提供非常高的比电容量以及功率特性，并且操作简单成本低制备简便而被广泛应用^[6]。

导电基底也是影响超级电容的电化学性能的第三大因素：我们可以培养一种或者多种所需要的电极材料在导电基底上面，例如泡沫镍，碳布等。在这里面把电极材料粘结在导电基底有两种方法，一种是直接将产品成长在导电基底上面，不需要使用粘合剂，能够改善材料和导电基底的接触面，提高离子传输速率；另外一种是使用粘合剂的方法，将材料，导电物质，粘合剂制作成糊状共同涂在导电基底上面，再通过压片，这个方法可以防止材料在导电基底上面生长不成，影响测试结果^[7]。

1.2 本文主要研究内容

本文通过前驱体硫化法制备ZnCo₂O₄/CoS电极复合材料。通过水热法合成前驱体，然后进行硫化，得到ZnCo₂O₄/CoS电极复合材料，采用XRD和SEM对其进行表征与电化学性能测试。

2 实验部分

2.1 仪器和试剂

2.1.1 仪器

仪器	生产厂家
电化学工作站（CHI660E 型）	上海辰华仪器公司
X-射线衍射仪（Shimadzu XRD - 6000）	日本岛津公司
扫描电子显微镜（QUANTA FEG450）	美国FEI公司
压片机(FW-4A型）	天津天光光学仪器有限公司
电子天平（0.01mg)	赛多利斯科学仪器（北京）有限公司
电热恒温水浴锅	上海精宏实验设备有限公司
离心机	京立牌
电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9036A)	上海精宏实验设备有限公司
磁力搅拌器（85-1型）	上海志威电器有限公司
数控超声波清洗器（KQ3200DE型）	昆山市超声仪器有限公司

2.1.2 试剂

试剂	等级	生产厂家
六水合硝酸锌	AR	国药集团化学试剂有限公司
六水合硝酸钴	AR	上海阿拉丁试剂有限公司
氟化铵	AR	上海阿拉丁试剂有限公司
九水合硫化钠	AR	上海阿拉丁试剂有限公司
六亚甲基四胺	AR	国药集团化学试剂有限公司
乙炔黑	AR	上海阿拉丁试剂有限公司
氢氧化钾	AR	国药集团化学试剂有限公司
丙酮	AR	国药集团化学试剂有限公司
泡沫镍	AR	合肥科晶材料技术有限公司
聚偏氟乙烯(PVDF)	AR	国药集团化学试剂有限公司

2.2 实验部分

2.2.1 电极材料合成

首先称取六水合硝酸锌1 mM，六水合硝酸钴2 mM，氟化铵3 mM，六亚甲基四胺8 mM，去离子水40 mL，将上述所有试剂倒入烧杯中，搅拌至溶解，使用数控超声波清洗器超声30 min，后转入高压反应釜中，放入烘箱中高温高压保温180 ℃，12 h。随后离心分离得到前驱体，标记为Sample-1，将所制得前驱体分成三份：第一份前驱体煅烧（400 ℃）退火处理，得到ZnCo₂O₄，标记为Sample-2；第二份前驱体先进行煅烧退火处理，方法和第一份相同，后进行硫化，样品与硫化钠的质量比为1：10，加入去离子水20 mL溶解，水浴80 ℃保温3 h，随后进行离心分离，得到ZnCo₂O₄/CoS-1产物；第三份前驱体直接进行硫化处理，硫化的方法和第二份样品处理方法一致，得到ZnCo₂O₄/CoS-2产物，标记为Sample-3。接下来分别称取16 mg所制得的产物，2 mg乙炔黑，2 mg PTEF粘合剂，研磨均匀，将浆料涂抹在用丙酮溶液和去离子水清洗过的泡沫镍上，然后用小刷子涂抹在泡沫镍上面，涂抹的面积1.0 cm×1.0 cm，随后放入60 ℃的烘箱中将产物烘干，然后将已经烘干涂有材料的泡沫镍放置于粉末压片机（FE-4A型）上面，挥动压片机手杆，保持力度10 MPa 10秒钟，压成薄片。称取薄片的质量，与初始泡沫镍的质量相减，得出泡沫镍涂有材料的质量^[8]。具体流程图见图1。

图 1 ZnCo₂O₄/CoS-1，ZnCo₂O₄/CoS-2电极复合材料的合成路线

2.2.2 电化学性能测试

电化学测试均以3 mol/L KOH溶液为电解液，在三电极体系中，对电极为铂丝，参比电极为饱和甘汞电极^[9]，工作电极为涂有活性材料的泡沫镍，比电容用公式（1）计算

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：14817字