碳布负载氢氧化镍电极材料的合成及其电容性能分析——推荐一个综合化学实验

作为超级电容器的电极材料,Ni(OH)₂具有理论比电容高、来源丰富、环境友好等优点,但较低的电导率影响了其实际性能。解决该问题的一种有效方法是在碳布导电基底上原位生长Ni(OH)₂薄膜。以此为基础设计综合化学实验,通过Ni(OH)₂/碳布薄膜电极的制备、表征及电化学性能测试,使学生进一步理解化学平衡原理在材料合成中的应用,了解材料的基本表征方法,掌握循环伏安法、恒流充放电法等电化学分析方法在实际测试中的运用与解析,从而达到巩固电化学理论知识、培养学生的实验技能、提高学生综合实验能力的目的。本实验的开展还可以帮助学生了解储能领域的科技前沿,激发学生的科研兴趣,培养学生的科研创新意识,适合在大学化学实验中推广应用。     

基于过渡金属硫化物/还原氧化石墨烯复合物的高性能超级电容器

组装高能量密度的非对称超级电容器需要使用比电容大、 体积变化小且循环稳定性好的电极材料. 过渡金属硫化物(TMSs)与纳米碳材料的复合物是此类电极材料之一. 采用水热法合成了由Cu-Mo硫化物在微波剥离的还原氧化石墨烯表面生长的复合材料(CuS-MoS₂/MErGO). 此复合材料在电流密度为2 A/g时具有高达861.5 F/g的比电容和良好的循环稳定性. 将1.6 V的电池电压施加在由NiS/MErGO为正极, CuS-MoS₂/MErGO为负极组装成的不对称超级电容器上时, 该电容器的功率密度为1.28 kW/kg, 且能量密度保持为54.2 W·h·kg^-1. 结果表明, TMS复合材料是一种很有前途的高性能电化学储能材料, 尤其是用于非对称超级电容器的组装.     

微波辅助合成具有优异电化学性能的rGO/CeO2超级电容器电极材料

CeO₂具有良好的赝电容, 但有关碳/CeO₂复合材料的电化学性能有待改善. 本工作采用简单的微波辅助合成法, 将氧化石墨烯与Ce(NO₃)₃混合发生氧化还原反应, 获得还原氧化石墨烯(rGO)/CeO₂复合材料. 通过形貌观察, CeO₂以颗粒形式均匀分布在褶皱的rGO上, 且沿着rGO表面仿形生长; 纳米级CeO₂颗粒之间存在微小间隙. N₂吸/脱附测试结果表明, rGO/CeO₂具有大的比表面积和介孔孔径, 有益于与电解液充分接触. 通过电化学测试, rGO/CeO₂的比电容高达468 F•g^-1, 经过10000次充放电循环, 电容保持率高达107.3%. 优异的循环稳定性归因于大表面积的rGO与均匀薄层的CeO₂良好的协同效应减少了离子传输的阻力以及CeO₂颗粒之间微小的间隙, 缓解了Ce⁴⁺还原为Ce³⁺过程中发生的晶格膨胀. 将rGO/CeO₂组装成对称型超级电容器rGO/CeO₂||rGO/CeO₂获得的能量密度达18.16 Wh•kg^-1. rGO/CeO₂作为超级电容器电极材料具有广阔前景.     

水热合成制备Al掺杂α-MnO2纳米管及其超级电容器电化学性能

通过水热法制备了未掺杂α-MnO₂和Al 掺杂α-MnO₂, 对产物的形貌、结构和电化学性能进行了研究. 扫描电镜(SEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)观察表明制备产物呈纳米管形态. 紫外-可见光谱分析计算了产物的能带间隙: 随着Al 的掺杂, α-MnO₂的能带间隙值降低. 以未掺杂α-MnO₂与Al 掺杂α-MnO₂作为电极材料, 通过循环伏安(CV)和恒流充放电测试电极的超级电容器性能. 在50 mA·g^-1电流密度下, 未掺杂α-MnO₂与Al 掺杂α-MnO₂电极的比电容分别达到了204.8 和228.8 F·g^-1. 电化学阻抗谱(EIS)分析表明Al 的掺杂降低了α-MnO₂在电解液中的阻抗, 有利于提高其电化学比电容. 增强的比电容及在1000个循环后仍具有良好的容量保持率,使Al 掺杂α-MnO₂在超级电容器中具有较好的应用前景.     

NiS2纳米片的制备及其在非对称超级电容器中的应用

本文采用牺牲模板法,以Ni(OH)₂作为前驱体制备NiS₂. 通过对NiS₂进行XRD、EDS、BET、SEM及TEM等表征来研究NiS₂的元素组成及结构形貌. SEM及TEM结果显示前驱体及NiS₂均为纳米片结构. 电化学测试结果表明NiS₂存在着优秀的电容性能,在电流密度为1 A·g^-1时,NiS₂比电容能够达到1067.3 F·g^-1,同时具有高的倍率特性. 为了进一步探究NiS₂作为电活性材料的实用性,以NiS₂作为阳极材料,活性炭（AC）作为阴极组装成非对称超级电容器,在功率密度为0.8 kW·kg^-1,能量密度高达38.4 Wh·kg^-1,并且在3000次恒流充放电后,比电容依然保持93.7%.     

α-Fe2O3/石墨烯水凝胶复合材料的自组装制备及电化学性能

采用水热法自组装合成超薄α-Fe₂O₃/还原氧化石墨烯水凝胶（3DGH）复合材料.复合材料的物性表征和电化学测试结果表明,α-Fe₂O₃/3DGH材料呈三维多孔结构,直径约100 nm的α-Fe₂O₃颗粒均匀生长在还原氧化石墨烯片层上;通过调节复合材料中Fe³⁺的负载量,可实现α-Fe₂O₃颗粒的可控生长,粒径为200~30 nm;作为超级电容器的电极材料,α-Fe₂O₃粒径为100 nm左右时,铁负载量为40%的α-Fe₂O₃/3DGH复合材料具有最大的比电容（750.8 F/g,1 A/g）和循环稳定性（在10 A/g电流密度下,充放电5000次后比电容保持率为81.9%）,高于纯α-Fe₂O₃材料的比电容（251.6 F/g,1 A/g）和循环稳定性（充放电5000次后比电容保持率为43.8%）.     

联咪唑修饰{SiW12O40}杂化物的合成及超级电容性能

以H₄SiW₁₂O₄₀为前驱体, 采用水热法合成了联咪唑修饰的超分子杂化物, 经元素组成和热重分析, 确定其分子式为[Co(bim)₂(H₂O)₂][H₂SiW₁₂O₄₀]·2H₂O(bim=联咪唑)(1). 单晶衍射分析表明, 该杂化物是由[H₂SiW₁₂O₄₀]^2?、 [Co(bim)₂(H₂O)₂]²⁺和2个H₂O组成, 各组分之间通过氢键或超分子作用形成一维（1D）~三维（3D）结构. 分别以玻碳、 碳布和泡沫镍为集流体的三电极体系, 当电流密度为1 A/g时, 杂合物1的比电容分别为350.09, 107.02和186.83 F/g; 5000次循环后, 电容保持率分别为94.5%, 92.8%和95.1%. 动力学分析显示, 该化合物的电荷存储机制是以表面控制电荷为主. 在对称纽扣电池体系中, 当电流密度为1 A/g时, 其比电容为80.00 F/g; 在0.75 V的电压窗口中, 功率密度为130.83 W/kg时, 其能量密度为9.41 W·h/kg; 5000次循环后, 电容保持率为92.4%, 表明合成的杂化物是一种较好的超级电容器电极候选材料.     

聚吡咯包裹碳化硅气凝胶复合材料的电化学和吸波性能

聚吡咯(polypyrrole, PPy)由于具有高比电容、高电导率、高柔韧性和结构多样性而被用作超级电容器的电极材料,而且可以与其他材料复合,能够提高介电损耗从而提高吸波性能。采用化学原位聚合法,合成了PPy包覆SiC气凝胶复合材料,有效解决了PPy在充放电过程中因离子的掺杂和去掺杂而变得不稳定,导致PPy基超级电容器循环稳定性下降等问题。用三电极体系测试复合材料的电化学性能,用矢量网络分析仪进行电磁参数测试。结果表明,在0.5 A·g^-1的电流密度下比电容达309.65F·g^-1,在1000次循环后比电容保持率为94.2%,具有良好的循环稳定性;气凝胶经历了100次砝码的反复压能保持95%的高度,抗压强度可达105 kPa;在2.2 GHz的有效吸收强度为22.32 dB,而PPy只有8.99 dB,有效提高了吸收强度。因此,SiC/PPy复合材料是很有应用前景的超级电容器电极材料和电磁波吸收材料。     

Ni3(HCOO)6/还原氧化石墨烯复合电极材料的制备及电容性能

以氧化石墨烯(GO)为前驱体, Ni(NO₃)₂·6H₂O为镍源, 甲酸为配体, N,N-二甲基甲酰胺为溶剂, 通过一步溶剂热法制备了Ni₃(HCOO)₆/rGO复合电极材料. 研究结果表明, 通过金属镍离子和配体在氧化石墨烯表面超分子自组装成核, 形成了“三明治”式的夹心复合结构; 不同的GO浓度对复合材料的物相结构、 晶体尺寸大小、 形貌及电化学性能有很大的影响; 当GO的浓度为8 mg/mL时, 在100 ℃下反应24 h得到的Ni₃(HCOO)₆/rGO复合材料在电解液为1 mol/L KOH, 5 mV/s下比电容高达940 F/g, 经过500次充放电循环后电容的保持率为96.28%.     

Co-Al双金属硫化物/泡沫镍电极材料的制备及其超级电容性能研究

采用两步水热法直接将Co-Al双金属硫化物生长在泡沫镍上,成功制备了CoAl_2S_4/Ni电极材料。利用X射线衍射、扫描电镜和电化学测试等手段对其结构、形貌和超级电容性能进行了表征。结果表明,CoAl_2S_4/Ni电极材料呈现花瓣状的三维多孔结构,表面粗糙,这种结构有利于电解液和电极材料的充分接触,具有良好的导电性和比电容性能;当电流密度为1A/g时,电极的放电比容量高达2187.1F/g,循环100次后比电容的保持率为90.1%。相关研究可为超级电容器电极材料的制备及性能研究提供思路。     

Boosting the Energy Density of Flexible Asymmetric Supercapacitor with Three Dimensional Fe2O3 Composite Brush Anode

Flexible asymmetric supercapacitor is fabricated with three dimensional(3D)Fe2O3/Ni(OH)2 composite brush anode and Ni(OH)2/MoO2 honeycomb cathode.Particularly for 3D composite brush anode,a layer of thin Fe2O3 film is firmly adhered on a 3D Ni brush current collector with the assist of Ni(OH)2,functioning as both adherence layer and pseudocapacitive active material.The unique 3D Ni brush current collector possesses large surface area and stretching architecture,which facilitate to achieve the composite anode with high gravimetric capacitance of 2158 F/g.In terms of cathode,Ni(OH)2 and MoO2 have a synergistic effect to improve the specific capacitance,and the resulting Ni(OH)2/MoO2 honeycomb cathode shows a very high gravimetric capacitance up to 3264 F/g.The asymmetric supercapacitor(ASC)has balanced cathode and anode,and exhibits an ultrahigh gravimetric capacitance of 1427 F/g and an energy density of 476 W·h/kg.The energy density of ASC is 3-4 times higher than those of other reported aqueous electrolyte-based supercapacitors and even comparable to that of commercial lithium ion batteries.The device also shows marginal capacitance degradation after 1000 cycles'bending test,demonstrating its potency in the application of flexible energy storage devices.     

Highly stable asymmetric supercapacitors based on Ni(OH)<Subscript>2</Subscript> deposited on electro-etched carbon paper

Herein, we introduce the application of nickel hydroxide nanosheets on the electro-etched carbon fiber (ECF) formed via a direct electrodeposition, for fabrication of asymmetric supercapacitor. To confirm the practical applicability of prepared Ni(OH)₂–ECF, an asymmetric device was assembled using Ni(OH)₂–ECF in combination with an activated carbon (AC) electrode. Our results showed a substantial cycling stability (96% capacitance retention after 10000 cycles) and considerable rate capability at large discharge currents (60% capacitance retention at 8 A g^??1) for this asymmetric supercapacitor that may have originated from the good contact between Ni(OH)₂ and ECF. A maximum specific capacitance of 88.1 F g^??1 was achieved for Ni(OH)₂–ECF//AC/CF device and showed considerable rate capability at large discharge currents (60% capacitance retention at 8 A g^??1). The results of this study suggest the Ni(OH)₂–ECF electrode is an excellent material for fabrication of supercapacitor electrodes.     

Electrodeposited Ni(OH)<Subscript>2</Subscript> nanostructures on electro-etched carbon fiber paper for highly stable supercapacitors

Herein, we introduce a facile, inexpensive and fast, and additive-/template-free method to fabricate highly stable nickel hydroxide nanofibers for supercapacitor applications. Ni(OH)₂ nanofibers were electrodeposited on electro-etched carbon fiber paper by a potential step method (Ni(OH)₂-ECFs) and characterized using scanning electron microscopy and X-ray diffraction analysis. Electrochemical performance of Ni(OH)₂-ECF was studied in symmetric two-electrode assembly by cyclic voltammetry, galvanostatic charge–discharge method, and electrochemical impedance spectroscopy. A specific capacitance of 277.5 F g^?1 was achieved for the symmetric supercapacitor based on two identical Ni(OH)₂-ECFs. Our findings demonstrate high-rate capability with excellent stability (approximately 100 % capacitance retention) for Ni(OH)₂-ECF supercapacitor, originated from the intimate contact between Ni(OH)₂ and ECF. Our studies suggest the Ni(OH)₂-ECF electrode as an excellent material for supercapacitor applications.     

氢氧化镍纳米线/三维石墨烯复合材料的制备及其电化学性能

采用水热法制备了氢氧化镍纳米线/三维石墨烯复合材料及作为比较的三维石墨烯、氢氧化镍纳米线、还原氧化石墨烯和氢氧化镍纳米线/还原氧化石墨烯, 通过X射线衍射、扫描电镜、热失重分析和氮气吸脱附表征了材料的形貌、结构和组成, 并采用循环伏安法和恒电流充放电测试了复合材料的电化学性能. 结果表明: 氢氧化镍纳米线/三维石墨烯复合材料中直径为20-30 nm的氢氧化镍纳米线和三维结构的石墨烯紧密结合, 相互交联形成网状结构, 其比表面积达到136 m²·g^-1, 孔径分布20-50 nm, 氢氧化镍纳米线的含量达到88% (w,质量分数). 在6 mol·L^-1的KOH电解液中, 复合材料的比电容在1 A·g^-1电流密度下达到1664 F·g^-1, 在1 A·g^-1电流密度下循环3000 次后的比电容保持率为93%. 将复合材料的比电容和循环性能与氢氧化镍纳米线、氢氧化镍纳米线/还原氧化石墨烯、三维石墨烯和还原氧化石墨烯的性能进行比较, 发现三维石墨烯较还原氧化石墨烯具有更高的比表面积和三维多孔结构, 可以更大地提高活性物质的利用率, 进而提高复合材料的比电容和稳定性.     

碳海绵上电化学沉积Fe_2O_3纳米片及其增强电容性能

设计高性能的可压缩电极是实现可压缩电容器器件的关键,碳海绵(CS)具有理想的压缩形变,但却受制于有限的容量。本工作以CS为可压缩基底,通过恒电流沉积及低温热处理技术,在CS骨架上均匀沉积了α-Fe_2O_3纳米片。复合电极中Fe_2O_3的负载量随沉积时间的延长逐渐增加,且在沉积16 h后达到饱和。系统地考察了CS-Fe_2O_3复合电极在不同压力下的可压缩性能,并在三电极体系中,通过循环伏安、恒电流充放电等方法研究了CS-Fe_2O_3复合电极在3.0mol·L~(-1)KOH电解液中的电容性能。结果表明,当复合电极CS-Fe_2O_3压缩率减小时,电极的内阻增大,比电容相应减小。CSFe_2O_3-12电极在电流密度为1 A·g~(-1)时的最大比电容为294 F·g~(-1),且经过10000次恒电流充放电后,电容量仍然能保持初始值的81%,是一种潜在的电化学性能稳定的可压缩超级电容器电极材料。     

Investigating metal-organic framework as a new pseudo-capacitive material for supercapacitors

A new application of metal organic framework （MOF） as a pseudo-capacitive material for supercapacitors is investigated. To this end, a simple nickel-based MOF, formulated Ni3（btc）2.12H2O, is synthesized via a hydrothermal reaction. As an electro-active material, such nickel-based MOF exhibits superior pseudo- capacitive behavior in KOH aqueous electrolyte with a high specific capacitance of 726 F g-1. Also, it displays good electrochemical stability with 94.6% of the initial capacitance over consecutive 1000 cycles. In addition, a simple asymmetric supercapacitor with a high energy density of 16.5 Wh kg-1 is successfully built using the nickel-based MOF as positive electrode and commercial activated carbon as negative electrode in KOH electrolyte.     

Nitrogen-doped Carbon Coated Na3V2(PO4)3 with Superior Sodium Storage Capability

Cathodes with high cycling stability and rate capability are required for ambient temperature sodium ion batteries in renewable energy storage application. Na₃V₂(PO₄)₃ is an attractive cathode material with excellent electrochemical stability and fast ion diffusion coefficient within the 3D NASICON structure. Nevertheless, the practical application of Na₃V₂(PO₄)₃ is seriously hindered by its intrinsically poor electronic conductivity. Herein, solvent evaporation method is presented to obtain the nitrogen-doped carbon coated Na₃V₂(PO₄)₃ cathode material, delivering enhanced electrochemical performances. N-Doped carbon layer coating serves as a highly conducting pathway, and creates numerous extrinsic defects and active sites, which can facilitate the storage and diffusion of Na⁺. Moreover, the N-doped carbon layer can provide a stable framework to accommodate the agglomeration of the electrode upon electrode cycling. N-Doped carbon coated Na₃V₂(PO₄)₃(NC-NVP) exhibits excellent long cycling life and superior rate performances than bare Na₃V₂(PO₄)₃ without carbon coating. NC-NVP delivers a stable capacity of 95.9 mA·h/g after 500 cycles at 1 C rate, which corresponds to high capacity retention(94.6%) with respect to the initial capacity(101.4 mA·h/g). Over 91.3% of the initial capacity is retained after 500 cycles at 5 C, and the capacity can reach 85 mA·h/g at 30 C rate.