溶胶-凝胶技术制备超级电容器金属氧化物电极材料的研究进展

金属氧化物电极材料兼有双电层电容和法拉第准电容,溶胶-凝胶技术制备金属氧化物电极材料可有效地提高比容量且制备的材料纯度高、工艺简单等,使超级电容器性能得到显著的提高,引起了许多研究者的广泛关注。综述了超级电容器的特征、应用范围,并详细地介绍了溶胶-凝胶技术制备金属氧化物电极材料的优点和存在的问题及研究进展情况,为促进新型储能电极材料的研究提供科学参考。     

用溶胶—凝胶法合成功能材料

溶胶-凝胶法及其优缺点近年来,欧、美和日本等工业发达国家都在积极开展以金属醇盐 M(OR)_n(R 为烷基)或金属盐为初始出发原料合成玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷(烧结多晶体)的所谓溶胶-凝胶法的研究工作。从溶胶-凝胶法的发展     

溶胶—凝胶法及其在无机材料合成中的应用

本文通过溶胶—凝胶法(Sol-Gel法)及其应用的某些研究结果,简要地讨论了溶胶—凝胶法及其在粉体材料、线型材料、涂层材料和体型材料中的应用以及一些科学技术问题,以引起人们对溶胶—凝胶法的兴趣,以便深入开展这方面的工作。     

溶胶-凝胶法合成磷酸铁锂正极材料

以FePO4·4H2O、LiOH·H2O、草酸为原料,以葡萄糖为碳源,采用溶胶-凝胶法合成磷酸铁锂正极材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等方法进行表征,并将材料组装成电池研究其电化学性能。结果表明:以葡萄糖为碳源,采用溶胶-凝胶法合成磷酸铁锂正极材料具有单一的橄榄石型晶体结构,充放电平台平稳。葡萄糖添加量为5.9%时,材料的充放电比容量和循环性能较高,室温下,0.1C和0.2C首次放电比容量达143.3mA·h/g和133.7mA·h/g,循环50次后仍保持在134.2mA·h/g和124.5mA·h/g。     

溶胶-凝胶法合成ZnO纳米材料及其抗菌性能研究

采用溶胶-凝胶法制备氧化锌纳米材料并考察了其抗菌性能.研究发现,通过调控醋酸锌-无水乙醇-氢氧化钠反应体系的反应温度、反应时间、反应物浓度以及反应体系中的水含量可以控制纳米ZnO的粒径分布;以金黄色葡萄球菌和大肠杆菌作为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的代表,用抑菌圈法考察了材料的抗菌性能,结果表明,溶胶-凝胶法合成的ZnO纳米材料抑菌效果明显优于相应的水热法产物和市售产品,且与其粒径分布密切相关;在实验条件下,ZnO材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制性能随ZnO纳米材料的粒径增大在5nm左右出现一个极值,材料的粒径小于或大于5nm,其抗菌效果均变差.     

一步法制备三维还原氧化石墨烯/NiO超级电容器电极材料及其性能研究

本研究以氧化石墨烯分散液(GO)和硝酸镍(Ni(NO₃)₂·6H₂O)为前驱体, 通过一步水热法制备自支撑三维还原氧化石墨烯/NiO复合电极材料(3D rGO/NiO)。用XRD和SEM等分析结果表明, 纳米NiO颗粒均匀分散在三维多孔石墨烯表面。当GO与Ni(NO₃)₂·6H₂O质量比为1 : 4时, 3D rGO/NiO在电流密度为1 A·g^-1 下比电容可达1208.8 F·g^-1; 当电流密度从0.2 A·g^-1增加到10 A·g^-1时, 复合电极材料电容保持率高于72.6%; 在电流密度为10 A·g^-1下进行恒流充放电循环测试10000次后, 其比电容仍然保持为初始比电容的93%, 表明该复合电极材料具有良好的倍率性能和循环稳定性能。3D rGO/NiO复合电极材料具有比纯NiO或rGO更优异的电化学性能。     

溶胶凝胶旋涂法制备NiO薄膜及其电致变色性能

本文利用sol-gel旋涂法在ITO玻璃衬底上成功制备了氧化镍(Ni O)薄膜。薄膜在550nm处的透过率为83.9%,直接禁带宽度为3.65 eV。XRD分析结果表明Ni O薄膜为立方晶相,沿(111),(200),(220)晶面生长,垂直于晶面(200)方向的晶粒直径尺寸大约为6.82 nm。循环伏安实验测试表明,Ni O薄膜在电化学反应过程中Ni2+不只经历了一次氧化反应,而是被氧化成更高价态的Ni3+,Ni4+价态,并通过计算得出薄膜在最强的阳极/阴极峰处的扩散系数为13.4×10-12cm2/s和2.29×10-12cm2/s,并且薄膜在550 nm处致色态与褪色态的透过率之差为36.5%,T/T为1.8。     

NiO基氧化物热电材料的合成及其性能

采用溶胶凝胶法制备了Li掺杂的NiO基氧化物热电材料,研究了Li掺杂对其热电性能的影响,实验结果表明:在x=0.03,0.06,0.09掺杂比例范围,Li+很好地进入了NiO的晶格,没有形成新的杂相。热电性能测试结果显示,在室温至750K的范围内随着Li掺杂量的增加,电导率显著增加,而样品的Seebeck系数随着掺杂浓度增高明显降低,样品Ni0.94Li0.06O在750K的功率因子PF=1.9×10-5 W.m-1.K-2,随温度升高,PF增加趋势明显,表明在高温环境中可具有更大的PF。     

碳布负载的PI-MWCNTs柔性电极材料的合成及其电容性能

以超级电容器的电极材料制备、性质研究及对组装非对称超级电容器的性能研究为核心内容,提高超级电容器电化学性能为主要目的,采用原位聚合法制备羧基化多壁碳纳米管(PI-MWCNTs)接枝的聚酰亚胺溶液,将其作为氮掺杂碳的前驱体,实现复合物在碳布表面的生长,并作为电极材料.以二氧化锰-碳布(MnO2-CC)为正极,多壁碳纳米管接枝的聚酰亚胺-碳布为负极(PI-MWCNTs-CC),构建非对称超级电容器.采用扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射、比表面积及孔径测试、循环伏安、恒电流充放电及电化学阻抗谱对电极材料的结构和电化学性能进行表征.结果表明:当扫描速率为20 mV/s时,非对称电容器的电势窗口可增至1.3 V,其体积比容量为1.80 F/cm3;当功率密度为14.08 mW/cm3时,能量密度可达到0.423 mWh/cm3.     

超级电容石墨烯纸电极渗流及其储能性能研究

以水合肼为还原剂,通过化学还原氧化石墨烯及真空抽滤制备柔性石墨烯纸,并将石墨烯纸制得超级电容电极材料。采用扫描电子显微镜、高倍率透射电子显微镜等手段对样品进行形貌结构表征。采用格子玻尔兹曼方法(LBM),对石墨烯纸孔隙结构中的电解液渗流特性进行数值模拟分析,并研究电解液渗流压力对储能性能的影响。结果表明,在电解液渗流压力从100kPa增大至500kPa条件下,石墨烯纸的润湿率由27.08%提高至85.44%,石墨烯纸的储能比电容达到158F/g。     

Nano-Au@PANI蛋黄空心结构电极材料的构筑及超级电容性能

采用两步化学氧化法,通过控制氧化剂的扩散合成了Nano-Au@PANI复合材料。采用透射电镜对其形貌进行了表征,采用电化学工作站对其电化学性能进行了测试,并研究了反应时间对其电化学性能的影响。结果表明,合成的Nano-Au@PANI复合材料具有蛋黄空心结构,PANI外壳层的厚度随时间的延长而增加,其作为电极材料比容量出现了先增大后减小的趋势。当反应时间为12h时,其PANI外壳层的厚度约为21nm,比容量为79F·g~(-1)。     

溶胶-凝胶燃烧合成制备NiO纳米颗粒的研究

研究了以硝酸镍和柠檬酸为原料溶胶-凝胶自燃烧法制备氧化镍纳米颗粒的最佳工艺条件及配比.用热重分析(TG-DSC)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对反应物、反应过程、产物氧化镍等进行了表征.研究了溶胶-凝胶pH值、原料配比对产物的影响并对反应机理进行了初步探讨.通过调整柠檬酸与硝酸镍的配比来避免镍的出现.本方法设备简单,操作方便易行.     

溶胶-凝胶法合成NASICON快离子导体材料

采用以无机盐为基础的新型溶胶－凝胶法合成了NASICON快离子导体材料，在其它原料相同的情况下，分别采用硝酸和草酸作为回溶剂和原溶液酸度调节剂合成了NASICON材料，利用XRD等分析测试手段对合成产物进行了对比研究，对两种酸在反应温度和相结构的影响情况进行了讨论。     

溶胶-凝胶法合成硅酸锆

以正硅酸乙酯、氧氯化锆等为原料,采用溶胶-凝胶工艺合成硅酸锆粉体。借助X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等分析手段,研究合成工艺对ZrSiO4合成的影响。结果表明:合成ZrSiO4的主要影响因素是煅烧温度、升温速率及是否引入ZrSiO4晶种。较佳的煅烧工艺为升温速率大于6℃/min,1 200℃煅烧2 h。ZrSiO4晶种剂的加入可显著降低合成ZrSiO4的温度。     

氧化镍三维纳米电极的制备及其超级电容性能研究

以阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列为基底,利用水热法在上面成功制备出NiO三维纳米电极。通过晶体粉末衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)分析了其物相组成、表面形貌及元素价态,同时也分析了NiO直接在TiO2纳米管阵列上三维生长的过程。超级电容性能结果表明:NiO三维纳米电极在充放电电流密度在2.5A/g下,比电容为918F/g的容量,循环2000圈之后容量保持在93%,是较为理想的超级电容器用清洁储能材料。TiO2纳米管阵列显著提高了NiO与基底接触的牢固程度,克服了粉末材料制备电极的繁琐过程,较大地提高了电极材料的循环性能。     

模板法制备介孔VN纳米电极材料及其电容性能

以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂, 通过高温氨解还原V₂O₅前驱体制得了具有丰富介孔的VN纳米材料, 采用XRD与TEM分析观察样品的结构和形貌, 用N2吸附测试样品的比表面积和孔径分布. XRD分析表明, 介孔VN纳米材料属于立方晶系的晶体结构. TEM和N₂吸附测试结果表明, VN纳米材料的颗粒粒径大约为10 nm, 比表面积为88 m²/g, 有比较丰富的2~6 nm的介孔. 在1 mol/L KOH电解液中进行循环伏安和恒流充放电测试研究其电容性能, 结果显示, VN电极同时具有双电层电容性能和氧化–还原反应的准电容性能, 1 mV/s的扫描速率下能获得517 F/g的比电容; 当扫描速率增大到10 mV/s时, 其比电容仍有275 F/g.     

尖晶石钛酸锂的三乙醇胺辅助溶胶-凝胶法合成及其性能

以三乙醇胺为配位剂,Ti(OC4H9)4和LiAc·2H2O为原料,通过溶胶-凝胶法制备锂离子电池负极材料尖晶石Li4Ti5O12。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、循环伏安、电化学阻抗和恒流充放电分析检测产物的结构、形貌及电化学性能。结果表明:配位剂的用量对Li4Ti5O12结构及电化学性能有显著影响,其中三乙醇胺与Ti摩尔比为0.8时,Li4Ti5O12具有良好的的电化学性能。1.0C下,其首次放电容量为153.0mAh·g-1,35次循环后放电容量仍为139.9mAh·g-1,容量保持率为91.5%。     

NiCo2S4@ACF异质电极材料的绿色制备及其超级电容性能研究

传统的NiCo₂S₄硫化过程需要高温加热, 耗能较大, 并且单纯的硫化物导电性差。本工作通过绿色环保的室温硫化法成功制备出以活性炭纤维(ACF)为核, NiCo₂S₄为壳的复合异质结电极材料(NiCo₂S₄@ACF)。NiCo₂S₄@ACF复合电极材料的层状结构, 有效增大了与电解液的接触面积, 改善了电子的传输路径, 使其具有更优良的电化学性能。当电流密度为1 A/g时, 其比电容值高达1541.6 F/g (678 μF/cm²)。另外, NiCo₂S₄@ACF和ACF分别作正负极组装成的非对称超级电容器(Asymmetric Supercapacitors, ASC)展现了良好的电化学性能: 能量密度高, 当功率密度为800 W/kg时, 能量密度高达49.38 Wh/kg; 循环性能稳定, 循环充放电2000圈后比电容仍能保持90.27%。研究表明, NiCo₂S₄@ACF复合电极材料是一种应用前景广阔的超级电容器电极材料。