几种碳镍基复合物的合成及其电化学性能研究

几种碳/镍基复合物的合成及其电化学性能研究超级电容器由于其优秀的特性被认为是最具有研究价值的电化学储能元件之一。在电容器组分中,电极材料对电容器的性能起着决定性的作用。因此,设计制备高性能的电极材料是改善超级电容器性能的有效途径之一。从电容器的产业化考虑,电极材料需要具有价格便宜、原料储量大、合成工艺简单、环境友好等特点。常用的电极材料包括碳材料、金属氧化物和导电聚合物等。然而,单一的电极材料固有的缺陷限制了其电化学性能。碳/金属基复合材料可以同时兼顾碳材料的高电化学稳定性和金属基材料的高比容量等特性,有望成为新型的电极材料。论文中设计合成新型镍基材料（镍基水滑石、氧化镍和钴酸镍）与碳材料（石墨烯、碳空心球）的复合物,并研究其电化学性能。具体研究内容如下:以AlOOH为铝源,通过简单的水热过程合成了三明治结构的rGO/NiAl-LDH复合物。水滑石纳米片阵列垂直生长在石墨烯纳米片两侧,形成的三明治型复合物具有高达184.7m²/g的比表面积和良好的孔结构。电化学测试结果表明,这种具有独特形貌的水滑石复合物电极材料在电流密度为3.57A/g时的比容量为1325F/g。当电流密度高达17.56A/g时,复合物的比容量仍高达851F/g。在高电流密度下（15.30A/g）循环500圈之后,复合物的高比容量仅衰减了9%。与单纯NiAl-LDH的电化学性质相比,复合物具有较大的比容量和较高的循环稳定性,这可能是因为水滑石/石墨烯复合物独特的三明治结构优化了电化学过程中离子和电子的传输路径。这种在石墨烯表面原位生长水滑石的路线为设计合成具有独特形貌结构的LDH/graphene复合材料提供了新的思路。通过在rGO/NiAl-LDH中掺杂钴离子,合成一系列的三元水滑石/石墨烯复合物。钴离子掺杂在增加电极材料活性位的同时,还影响着复合物的结构、形貌及电化学性能。当掺杂量为0.17、0.33和0.5时rGO/Ni_1-xCo_xAl-LDH复合物仍保持着三明治型结构,随着掺杂量的进一步增大,复合物中水滑石纳米片尺寸增大,三明治结构发生变化。当钴含量为17%时,复合物中Ni_0.83Co_0.17Al-LDH纳米片原位生长在石墨烯纳米片两侧,形成新型三维rGO/Ni_0.83Co_0.17Al-LDH电极材料。系统研究不同钴含量下复合物的电化学性能,并分析钴含量和结构形貌对其性能的影响。结果表明:rGO/Ni_0.83Co_0.17Al-LDH复合物在五种三元水滑石/石墨烯复合物中具有最大的表面积（171.5m²/g）,在1A/g电流密度下具有1902F/g的比容量,且具有良好的快速充放电性能和循环稳定性。以SiO₂为硬模板,RF为碳前驱体,三聚氰胺为氮源,通过原位聚合和后处理过程合成含氮的多孔空壳碳球。经AlOOH溶胶在氮掺杂的碳空心球基底上的层层包覆和随后的水热处理后,水滑石纳米片在基底上原位生长形成具有新型结构的双壳层N-C@NiAl-LDH空心复合材料。这种双壳层复合物具有氮掺杂的碳内壳层和LDH纳米片原位生长的海胆状外壳层。复合物具有高氮含量（约10.53%）、多孔碳壳层、大比表面积（337m²/g）和大量的介孔及微孔结构。通过研究结构和形貌相似的N-C@NiAl-LDH、C@NiAl-LDH和NiAl-LDH空心微球的电化学性能,比较分析氮掺杂和碳复合对复合物性能的影响,双壳层N-C@NiAl-LDH空心复合材料在1A/g的电流密度下的比容量为1711.51F/g,当电流密度增加到10A/g时,比容量仍保持有997.3F/g,同时,复合物具有优良的循环稳定性。以SiO₂@RF核壳结构为基底,通过水热过程的原位生长和热处理过程,合成了双壳层C@NiO空心复合物材料。水热过程中,氧化硅微球与溶液中镍离子反应生成外层的硅酸镍纳米片,形成空心结构。煅烧过程中,RF层碳化,硅酸镍转化成氧化镍。复合物与RF@NiSilicate前驱体具有形似的形貌,具有多孔碳内壳层和叶状NiO纳米片外层结构。复合物中碳材料基底和氧化镍纳米片紧密相连,具有电化学适宜的孔道结构和高比表面积（217m²/g）。与形貌相似的海胆状NiO空心球相比,双壳层C@NiO复合物表现出增强的比容量和循环稳定性。该方案为设计合成可用于其它领域的双壳层碳/过渡金属基复合材料提供了新的途径。通过一步水热法和后续煅烧过程制备rGO/NiCo₂O₄石墨烯/双金属氧化物复合物。复合物由极薄的NiCo₂O₄纳米带和石墨烯纳米片构成,同时具有大的比表面积（222m²/g）及介孔结构。通过研究不同热处理条件下单纯钴酸镍的电化学行为,确定了复合物的最佳热处理温度。在250°C煅烧下制得的复合物,在1A/g电流密度下具有1072.9F/g的比容量,且比容量为10A/g时仍