Ni-NiO核-殼納米結構的制備及其電化學性能研究.pdf

1、近些年來，隨著能源污染問題的日益嚴峻以及便攜式電子設備需求的大量增長，超級電容器因為結合了傳統(tǒng)電池的高能量密度和物理電容器的高功率密度，已經(jīng)成為新型化學電源研究的熱點，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)秀的電化學性能，理論比容量為2573F/g，而且自然界儲量豐富、對環(huán)境友好，非常適合在超電容的應用。最近出現(xiàn)了關于NiO的金屬核/金屬氧化物殼層的研究報道;例如Lu等首先機械打磨形成Ni金屬單質顆粒，然后直接在Ni金屬單質顆粒的表面氧化處理形成Ni/NiO納米顆粒核殼結構，由于內部的單質金屬核代替了金屬氧化物芯，加強了電極材料與集流體之前的導電性，有利于氧化反應過程中電子的傳輸，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構，活性物質與基底的接觸電阻較大，粘結劑也會降低材料的利用率，且工藝也比較復雜。
　　本論文研究工作中，我們通過簡單溫和的方法制備Ni/NiO核-殼結構。將在鎳網(wǎng)基底上水熱生長的NiO納米片陣列進行氫氣中還原處理，獲得直接生長在Ni網(wǎng)基底上的Ni單質，之后經(jīng)過氧化處理形成Ni/NiO核-殼結構，我們探究了氫氣中還原過程中不同的退火溫度和退火時間對電化學性

4、能的影響、不同的氧化處理溫度對NiO殼層厚度的影響，獲得了性能優(yōu)異的內連接的多孔的Ni/NiO核-殼復合納米陣列材料，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及電化學測試等手段對材料的結構、形貌和電化學性能進行研究。結果表明在氫氣中以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-殼復合材料有以下的特點:(i)Ni/NiO核-殼納米復合材料的金屬核促進了氧化還原反應過程中

6、電子的傳輸，(ii)NiO殼層很薄，有利于電極材料的充分反應。
　　(2)探究氧化溫度對Ni/NiO核-殼結構中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及電化學測試等手段對材料的形貌、NiO殼層厚度和電化學性能進行研究。結果表明隨