二氧化铈基超级电容器电极材料的制备及其性能研究

• 作 者: 张航
• 出 处: 江西师范大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 超级电容器 CeO2 复合材料 水热法 离子交换

随着日益严重的环境污染和对能源消耗需求的持续增加,开发可持续和环保的替代能源和储能装置成为当前的研究热点。因此,开发具有器件轻简,能量转换快,成本低廉等优点的能源转换和储备装置成为主要的研究方向。目前,能够满足上述特性的储能装置有:二次电池、燃料电池和超级电容器。相比较电池和电容器而言,超级电容器被认为是最有前途的能量发生和储存系统,因为它们拥有快充/快放电,高功率密度,长循环稳定性,环境友好,低成本和操作安全的特性。超级电容器电极材料的性能及形貌特征对总体性能起着至关重要的作用。目前,许多研究都集中在具有高容量,高能量密度和长循环稳定性的电极材料的设计上。其中,已经进行了许多努力来研究赝电容金属基氧化物电极材料,相比于典型的碳基双电层电容器和导电聚合物电容器,它们更有利于充放电过程中电极材料/电解液接触和电子扩散。CeO₂材料原料价廉、存在氧空穴,有利于发生Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原反应,因此其用于超级电容器电极材料有极大潜能。在本工作中通过简单方法制备了CeO₂/过渡金属氧化物（MnO₂,Fe₂O₃,Co₃O₄）的复合材料,主要内容如下:（1）通过简便方法制备了一种超长MnO₂@CeO₂纳米线,其长度可达数微米,直径范围30⁸0 nm。采用三电极电化学工作站及2 mol/L氢氧化钾为电解质溶液中,在0.18⁰.45 V的窗口电压下探测MnO₂@CeO₂活性材料的电化学研究。MnO₂@CeO₂在扫描速率为5 mV/s时的比电容为265 F/g。结果表明,MnO₂@CeO₂作为超级电容器电极材料时表现出较好的应用潜力。（2）以Ce（NO₃）₃?6H₂O和K₄[Fe（CN）₆]·3H₂O为原料、去离子水为溶剂,通过沉淀法成功制备出了具有松塔双锥形貌样品,500℃空气氛围分解4 h后得到CeO₂/Fe₂O₃复合材料,另外探究了其他实验条件（物料比、反应温度和反应时间）对产物形貌的影响。使用一系列表征手段对产物的形貌和结构进行表征,并测试了CeO₂/Fe₂O₃复合材料作为超级电容器电极材料的性能。在2 mol/L KOH溶液中,电位窗口0.18⁰.45 V（vs.SCE）时,CeO₂/Fe₂O₃作为电极材料表现出良好的比电容,在扫速为1 mV/s时,其比电容可达到332.9F/g。（3）通过简单的阳离子交换途径,然后进行热处理,成功地获得了复合材料CeO₂/Co₃O₄/C中空多面体。在合成过程中,首先制备了Co基前驱体多面体骨架（ZIF-67）,其可作为交换Ce³⁺离子的主体和复合材料CeO₂/Co₃O₄/C中空多面体的模板。电化学性能测试结果显示,CeO₂/Co₃O₄/C多面体在2.5A/g时具有131 F/g的比电容,并具有较好的循环稳定性。这表明CeO₂/Co₃O₄/C作为电化学储能材料表现出深远意义。更重要的是,我们认为该思路为制备具有所需结构,化学组成和应用的其他复合金属氧化物的简单且通用的策略。