金属氧化物杂化纳米阵列的构筑及其超电容性能研究

Supercapacitors based on nanoarrays have become a hotspot in the rerearch of energy storage devices. In this project, binary MnO2/NiO(MnO2/Co3O4) hybrid nanoarrays will be synthesized by AAO templates in combination with direct electrodeposition. The morphology, microstructure and composition of binary MnO2/NiO(MnO2/Co3O4) hybrid nanoarrays are tuned by electrodeposition parameters. Subsequently, specific capacitance, cycling stability and charge transfer of MnO2/NiO(MnO2/Co3O4) hybrid nanoarrays are investigated by cyclic voltammograms, galvonostatic charge/discharge and electrochemical impedance spectrum, respectively. The universial law between morphology, microstructure and composition of MnO2/NiO(MnO2/Co3O4) hybrid nanoarrays and their supercapacitive performance will be established. And the MnO2/NiO(MnO2/Co3O4) hybrid nanoarrays will be optimized to be excellent materials for supercapacitor. This research will provide theoretical basis and experimental reference for the development of the supercapacitors based on the construction of hybrid nanoarrays.

基于纳米阵列构建超级电容器，是纳米材料及技术在储能器件研究中的重要课题。本项目拟采用模板法结合电沉积法制备MnO2/NiO(MnO2/Co3O4)二元杂化纳米阵列，通过调控电沉积工艺，对所制备的MnO2/NiO (MnO2/Co3O4)二元杂化纳米阵列的形貌、微观结构和成分进行控制，随后采用循环伏安法、恒流充放电以及电化学交流阻抗分别对MnO2/NiO和MnO2/Co3O4二元杂化纳米阵列的比电容、循环稳定性以及材料的电荷输运性能进行研究。建立MnO2/NiO和MnO2/Co3O4二元杂化纳米阵列的形貌、微观结构和成分对其超电容性能作用的普适作用规律。通过构筑多元杂化纳米阵列，为超级电容器材料的发展提供理论依据和实验参考。

基于纳米阵列构建超级电容器，是纳米材料及技术在储能器件研究中的重要课题。本项目在高度有序排列的二氧化钛纳米管阵列薄膜可控制备的基础上，通过一步化学浴沉积法合成了高赝电容效应的MnO2/TiO2纳米管复合材料，以此复合阵列为电极构筑成对称型全固态超级电容器，在400 W/kg的功率密度下的能量密度可达18.98 Wh/kg，且表现出良好的循环稳定性、在5000圈循环恒电流充放电测试后比电容保留在91.5%。通过采用氩气退火处理，实现了引入氧空位的同时，在TiO2纳米管阵列表面包覆一层均匀的碳层，增加了载流子密度，提高了TiO2纳米管阵列的电导性，进一步采用水热沉积法合成三层同轴MnO2/Carbon@TiO2纳米管阵列复合材料，该MnO2/Carbon@TiO2复合纳米阵列薄膜表现出更好的超电容特性，拥有更高的比电容量和更长的循环寿命。通过氢化处理TiO2纳米管阵列薄膜，并结合电化学沉积工艺，在TiO2纳米管阵列内沉积弥散分布的NiO纳米颗粒，沉积改性后的NiO/TiO2纳米管复合阵列表现出良好的超电容特性，在电流密度1.5 A g-1条件下的比电容量高达689.28 F g-1，且经过5000次循环测试后比电容量保持率为91.9%。通过化学浴沉积工艺均匀沉积了一层Co3O4纳米颗粒，氧空位和碳修饰后，纳米管的比电容增大，电化学性能得到了明显提高。. 采用一步水热和煅烧处理的方法在泡沫镍基底表面原位构筑NiO/MnO2/CeO2杂化纳米片阵列结构的自支撑复合电极，水热反应中Ni(OH)2/Mn(OH)4杂化纳米片优先生长在泡沫镍基底上，经退火处理获得NiO/MnO2/CeO2杂化纳米片阵列，具有更大的比表面积和大量的孔隙，NiO、MnO2和CeO2杂化共存于纳米片阵列结构中，纳米片之间形成三维交联导电网络，为电解液离子扩散和电极电子输运提供更加丰富的传输路径，电活性物质构成纳米片阵列支架相互支撑，直接生长在基底材料表面，提高了电极的结构稳定性，在超级电容性能上表现出独特的优势：比电容值高达1027.8 F/g；12.5 A/g电流密度时5000次恒电流充放电后，保持了整齐有序的结构形态，且比电容保持率高达97.8%。