Ni-NiO核-殼納米結(jié)構(gòu)的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、近些年來，隨著能源污染問題的日益嚴(yán)峻以及便攜式電子設(shè)備需求的大量增長，超級(jí)電容器因?yàn)榻Y(jié)合了傳統(tǒng)電池的高能量密度和物理電容器的高功率密度，已經(jīng)成為新型化學(xué)電源研究的熱點(diǎn)，其中以過渡金屬氧化物作為電極材料的法拉第贗電容最為引人注意，決定贗電容的電容性能主要因素是電極材料。迄今為止，電極材料包括過渡金屬族元素的氧化物(RuO2、MnO2、NiO、CoO、CuO等)以及氫氧化物(Ni(OH)2、Co(OH)2、Cu(OH)2等），導(dǎo)電聚合物（聚

2、吡咯）。在過渡金屬氧化物中，NiO不僅擁有優(yōu)秀的電化學(xué)性能，理論比容量為2573F/g，而且自然界儲(chǔ)量豐富、對(duì)環(huán)境友好，非常適合在超電容的應(yīng)用。最近出現(xiàn)了關(guān)于NiO的金屬核/金屬氧化物殼層的研究報(bào)道;例如Lu等首先機(jī)械打磨形成Ni金屬單質(zhì)顆粒，然后直接在Ni金屬單質(zhì)顆粒的表面氧化處理形成Ni/NiO納米顆粒核殼結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)部的單質(zhì)金屬核代替了金屬氧化物芯，加強(qiáng)了電極材料與集流體之前的導(dǎo)電性，有利于氧化反應(yīng)過程中電子的傳輸，電容性能、循環(huán)

3、穩(wěn)定性、能量密度和功率密度以及倍率性能都得到了提高，但是他們制備的是納米顆粒結(jié)構(gòu)，活性物質(zhì)與基底的接觸電阻較大，粘結(jié)劑也會(huì)降低材料的利用率，且工藝也比較復(fù)雜。
　　本論文研究工作中，我們通過簡單溫和的方法制備Ni/NiO核-殼結(jié)構(gòu)。將在鎳網(wǎng)基底上水熱生長的NiO納米片陣列進(jìn)行氫氣中還原處理，獲得直接生長在Ni網(wǎng)基底上的Ni單質(zhì)，之后經(jīng)過氧化處理形成Ni/NiO核-殼結(jié)構(gòu)，我們探究了氫氣中還原過程中不同的退火溫度和退火時(shí)間對(duì)電化學(xué)性

4、能的影響、不同的氧化處理溫度對(duì)NiO殼層厚度的影響，獲得了性能優(yōu)異的內(nèi)連接的多孔的Ni/NiO核-殼復(fù)合納米陣列材料，具體的研究工作如下:
　　(1)用簡單、溫和的方法制備電化學(xué)性能優(yōu)異的Ni/NiO核-殼材料:將水熱生長的Ni(OH)2納米片陣列在空氣中350℃退火處理2h得到NiO納米片陣列后，NiO納米片在氫氣中分別以不同的還原溫度250℃、350℃、450℃退火處理2h和在350℃溫度下分別以不同的時(shí)間0.5h、2h、4h

5、退火處理，得到的樣品自然冷卻至室溫。使用XRD、SEM、TEM、HRTEM、XPS及電化學(xué)測試等手段對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明在氫氣中以350度退火處理2h得到的Ni/NiO核-殼納米材料的電化學(xué)性能最好，其比電容為533.33F/g(電流密度為1A/g)，在4000次循環(huán)以后仍然可以保留89.6％的比容量。Ni/NiO核-殼復(fù)合材料有以下的特點(diǎn):(i)Ni/NiO核-殼納米復(fù)合材料的金屬核促進(jìn)了氧化還原反應(yīng)過程中

6、電子的傳輸，(ii)NiO殼層很薄，有利于電極材料的充分反應(yīng)。
　　(2)探究氧化溫度對(duì)Ni/NiO核-殼結(jié)構(gòu)中NiO殼層厚度的影響:將NiO納米片陣列在氫氣中350℃，2h處理之后得到的樣品在空氣中分別以不同的溫度50°、150°、250°氧化處理1h，獲得了NiO殼層厚度不同的Ni/NiO核-殼納米材料。使用XRD、SEM、TEM、HRTEM、XPS及電化學(xué)測試等手段對(duì)材料的形貌、NiO殼層厚度和電化學(xué)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明隨