镍钴层状双金属氢氧化物的可控掺杂及其电化学性能研究

• 作 者: 吴宗潇
• 出 处: 浙江大学
• 发表日期: 2020年08期
• 关键词: 超级电容器 电催化 析氧反应 镍钴双金属氢氧化物 掺杂

新能源的开发及利用对电化学能量储存和转换器件提出了新的要求。层状双金属氢氧化物（layer double hydroxides,LDH）是一种理想的赝电容电极材料和电催化分解水催化剂材料,其层板中的过渡族金属阳离子可以作为电化学反应的活性位点,在超级电容器及电催化析氧催化剂方面有广阔的应用前景。但是LDH的电化学反应动力学较为缓慢,电子及离子传导性较差,导致其电化学性能仍旧有较大的提升空间。基于此,本文利用掺杂其它金属离子的手段对NiCo-LDH进行改性,分别制备了钒掺杂的NiCo-LDH作为超级电容器电极材料,以及钌掺杂的NiCo-LDH电催化析氧（oxygen evolution reaction,OER）催化剂材料。本文主要内容如下:利用VCl₃作为钒源,采用简单的一步水热法合成了钒掺杂的NiCo-LDH纳米片,探究了掺杂量与电极材料形貌及电化学性能的关系,确定了最佳的掺杂比例（10%at）。钒掺杂改性的NiCo-LDH中的纳米片排布更加致密,孔结构得到优化,电化学储能性能得到提升。在电流密度为1 A g^-1时,电极材料的比容量为2960 F g^-1,在50 A g^-1的电流密度下,其比电容仍旧保持有762 F g^-1。将其与活性碳负极材料组装成非对称超级电容器全器件,电压窗口为1.5 V,在功率密度为0.75 kW kg^-1时,能量密度为31.95 Wh kg^-1;在功率密度为3.125 kW kg^-1时能量密度为18.125 Wh kg^-1。利用RuCl₃作为钌源,采用简单的一步水热法合成了钌掺杂的NiCo-LDH纳米片。研究表明,钌原子的引入调控了纳米片的形貌,暴露了更多的电化学活性位点,离子和电子传导性得到提升,因此电催化析氧反应动力学得到改善。通过调控钌的掺入量（15 at%）,获得了具有良好OER催化活性的样品,在10 mA cm^-2的电流密度下,过电位仅为316 mV,Tafel斜率为72 mV dec^-1,并具有良好的稳定性。