Fe3O4AC超級(jí)電容器電極材料的研究

1、西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目： Fe3O4/AC超級(jí)電容器電極材料的研究 年 級(jí)： 13春 層次：本科 R?？茖W(xué)生學(xué)號(hào)：137273170045 指導(dǎo)老師：劉杰雨 學(xué)生姓名： 陳明 技術(shù)職稱： 無 學(xué)生專業(yè)：應(yīng)用化工技術(shù) 學(xué)習(xí)中心名稱：上虞學(xué)習(xí)中心IV畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 任 務(wù) 書 題目名稱Fe3O4/AC超級(jí)電容器電極材料的研究 題目性質(zhì) R真實(shí)題目 虛擬題目 學(xué)生學(xué)號(hào) 137273170045 指導(dǎo)教師 劉杰雨 學(xué)生姓名 陳明 專業(yè)名稱 應(yīng)用化工技術(shù) 技術(shù)職稱 學(xué)生專業(yè)：應(yīng)用化工技術(shù) 學(xué)習(xí)中心名稱：上虞學(xué)習(xí)中心 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容與要求： 畢業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人：

2、 （簽字） 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 成績(jī)考核表過程評(píng)分評(píng)閱成績(jī)答辯成績(jī)總成績(jī)百分制等級(jí)制1、 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)建議成績(jī) 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日2、 論文評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)建議成績(jī) 評(píng)閱教師簽字： 年 月 日3、 畢業(yè)答辨專家組評(píng)語(yǔ)建議成績(jī) 答辨組長(zhǎng)簽字： 年 月 日4、 畢業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)小組推優(yōu)評(píng)語(yǔ)組長(zhǎng)簽字： 年 月 日摘要將Fe3O4應(yīng)用到超級(jí)電容器上，研究了其作為電容器電極材料的電化學(xué)性能。結(jié)果表明： 在最佳反應(yīng)條件下， 制備出的納米Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)完整； 經(jīng)電化學(xué)性能測(cè)定，F(xiàn)e3O4作為電極材料的工作電壓為0.4V，在電流密度為1 mAcm時(shí)比電容達(dá)24.3F/g。關(guān)鍵詞：Fe3O4 超

3、級(jí)電容器 電極材料 比電容ABSTRACTTherepared Fe3O4, used as electrode materials for supercapacitor ,were also detected through electrochemical performance tests.The results show that the products are well-crys-tallized Fe3O4 under optimum conditions. As elcetrod material, the operating voltage of Fe3O4 is 0.4V,

4、Its spe-cific capacitance is 24.3F/g at current density of mA/cm2. Key words: Fe3O4 supercapacitor electrode material specific capacitance目錄引言··························&#

5、183;····································1實(shí)驗(yàn)部分············

6、83;············································2.納米34的制備與表征···

7、83;·································2.電極的制備與表征···············

8、;·····························3結(jié)果與討論····················

9、;···································3制備條件優(yōu)化·············

10、3;·························3.1.1 （ ） （ ）對(duì)納米粒子生成的影響····3 .1反應(yīng)值的影響···············&

11、#183;·························3.熟化溫度的影響······················

12、3;···················4納米粒子的表征·····························&#

13、183;·····4.1 分析···········································&#

14、183;·4.分析·············································5.納米粒子的電化學(xué)性能測(cè)試&#

15、183;·······················5. 循環(huán)伏安測(cè)試·························

16、;·················5.交流阻抗分析·······························

17、83;···········6.3電極材料的恒電流充放電性能測(cè)試················6結(jié)論···················

18、············································8參考文獻(xiàn)·····&

19、#183;·················································&

20、#183;···9致謝·············································

21、3;·················11V引言 超級(jí)電容器（ 即電化學(xué)電容器） 是介于傳統(tǒng)電容器和蓄電池之間的一種新型儲(chǔ)能元件， 是世紀(jì)年代發(fā)展起來的一種新型電池， 兼有常規(guī)電容器充電電池能量密度高和功率密度大的優(yōu)點(diǎn)， 成為新型的、 綠色的、 環(huán)保的儲(chǔ)能元件， 在移動(dòng)通信、 工業(yè)領(lǐng)域、 信息技術(shù)以及電動(dòng)汽車和國(guó)防科技等方面發(fā)揮了越來越重要的作用， 已成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn) 13。目前， 超級(jí)電容器的研究包括開發(fā)各種在電解液中有

22、較高比電容的電極材料和如何將電極材料應(yīng)用到實(shí)際工作中。其中， 開發(fā)高性能的電極材料是超級(jí)電容器研究的關(guān)鍵。碳基材料是最早應(yīng)用在超級(jí)電容器上的活性材料4-5，其具有高的比表面積，通過雙電層充電而達(dá)到較高比電容， 但碳基材料的電阻較大，在較大電流下工作困難， 因此很難有所突破。鑒于碳基電容器的這些缺點(diǎn)， 最近幾年， 研究人員利用各種金屬氧化物替代活性炭， 作為電容器的活性物質(zhì)， 在電容器電極材料的研究中取得了很大的進(jìn)展， 并且逐步應(yīng)用到了實(shí)際工作中。金屬氧化物因具有導(dǎo)電性良好、 性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)， 其能量?jī)?chǔ)存是由于在氧化物的表面發(fā)生了氧化還原反應(yīng)， 進(jìn)而產(chǎn)生化學(xué)吸附電容， 以此來獲得高的比電容和比能

23、量。其中以Pt，RuO2， IrO， CrO 6-12等為代表的貴金屬氧化物因其具有很高的比電容而得到了廣泛重視， 但由于這些金屬氧化物的價(jià)格昂貴且毒性大， 因而限制了其商品化應(yīng)用。作為電極材料在文獻(xiàn)中已有過報(bào)道 13-15。等發(fā)現(xiàn)薄膜氧化物在用作超級(jí)電容器電極材料時(shí)，其比電容超過100 Fg， 為Fe氧化物在今后電極材料的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 16。Fe3O4/AC超級(jí)電容器電極材料的研究陳明 應(yīng)用化工技術(shù)高起專 2013春季 137273170045實(shí)驗(yàn)部分1.34的制備與表征將3+和鹽按物質(zhì)的量比為1.5:1溶于一定體積的除氧水中，在劇烈攪拌下緩慢加入一定量的氨水（ 濃度為.5mol/L），調(diào)

24、節(jié)溶液的p值為1011，繼續(xù)攪拌。然后于水浴恒溫60熟化0.5，采用磁分離的方法分離，用去離子水清洗遍至中性，再于真空干燥可得粉末。分別利用和方法對(duì)制備的納米進(jìn)行表征。.電極的制備與表征將， 乙炔黑和（ 黏結(jié)劑） 按的質(zhì)量比混合， 加入適量乙醇調(diào)成漿狀， 以泡沫鎳為集流體， 利用模具在壓片機(jī)上以一定壓力壓成約0.6的電極片， 放入干燥箱干燥至恒重， 各電極片質(zhì)量約為0.07。采用電化學(xué)工作站， 在三電極體系下，以汞電極為參比電極,大面積泡沫鎳片為輔助電極， 于不同掃描速度下對(duì)電極進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試，在×-3×-4z范圍內(nèi)進(jìn)行交流阻抗測(cè)試。采用型電池測(cè)試系統(tǒng)，在c2條件下對(duì)超級(jí)

25、電容器進(jìn)行恒流充放電測(cè)試， 測(cè)試采用三電極體系，以汞電極作參比，同時(shí)記錄正負(fù)極電位變化情況。結(jié)果與討論 制備條件優(yōu)化.1.1 （ ） （ ）對(duì)納米粒子生成的影響在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果按照( ） （ ）為的理論配方，很難得到單一物相的磁性納米粒子，而且還會(huì)摻雜23。這是由于在配制和儲(chǔ)存過程中有部分極易被氧化。為了得到理想的磁性納米粒子，應(yīng)該提高的量。多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)( 3）（ ）時(shí)，產(chǎn)物中含較多 ，產(chǎn)物顏色為紅棕色； 當(dāng)（ ）（ ）時(shí)， 過量，產(chǎn)物中含有氧化物，造成產(chǎn)物顯示不同程度的綠色；當(dāng)（ ）( ）.時(shí)，產(chǎn)物顯示棕黑色， 為。.1反應(yīng)值的影響生成的反應(yīng)方程式為 。反應(yīng)需在堿性條件下完成。實(shí)驗(yàn)

26、中發(fā)現(xiàn)：在氨水的滴加過程中，溶液中開始有黑色物質(zhì)生成并很快消失；隨著氨水量的增加，產(chǎn)物又由紅褐色逐漸變?yōu)樽厣?，最后變成棕黑色的溶液；繼續(xù)滴加氨水，不再發(fā)生反應(yīng)。從顏色變化的角度來考慮，這是由于Fe3+ 和e 的溶液顯酸性，滴加氨水時(shí)局部會(huì)形成晶核, 快速攪拌作用下不能穩(wěn)定存在； 當(dāng)值左右時(shí)， 溶液中有大量晶核生成， 但仍存在著大量離子， 混合成紅褐色的絮狀物； 值時(shí)， 溶液中的金屬離子基本上都參與了成核與粒子長(zhǎng)大過程， 共沉淀反應(yīng)完成， 溶液中顯棕黑色并不再變化。值的進(jìn)一步增大對(duì)粒子的粒徑變化已無較大影響，見表。.熟化溫度的影響熟化溫度在共沉淀法制備納米過程中起著重要作用。在熟化過程中，晶體慢

27、慢趨于完整化， 同時(shí)在高溫下微粒摻雜的雜質(zhì)溶解分離，有利于提高晶粒的純度。反應(yīng)開始時(shí)，會(huì)有一部分是非晶態(tài)的初產(chǎn)物， 當(dāng)加熱到 以后，才逐漸轉(zhuǎn)變成晶態(tài)的納米粒子，共沉淀反應(yīng)產(chǎn)物的晶格完整化， 在低于時(shí)反應(yīng)雖然也能進(jìn)行， 但是其過程緩慢， 只有在以上才變得迅速、 充分；但熟化溫度高于時(shí)，部分易被氧化成，從而又造成磁性的下降。因此，共沉淀后形成的納米粒子在熟化，可在一定程度上提高粒子的純度和磁性。納米粒子的表征.1 分析圖為 的掃描電鏡照片。從圖中可以看出， 大部分粒子大小均勻， 而且無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，微粒的粒徑為 ， 符合納米級(jí)微粒的要求。.分析圖為 納米粒子的 譜圖。從圖中可以看出， 樣品的特征峰

28、尖銳， 說明晶粒生長(zhǎng)完全， 且衍射峰位置及對(duì)應(yīng)的晶面間距與中（）相一致，可以確定樣品為尖晶石結(jié)構(gòu)的磁性。根據(jù)謝樂公式可計(jì)算晶體粒徑： (×） 。（ ）式中： 為晶體粒徑；為衍射峰的半峰寬； 為射線波長(zhǎng)； 為衍射峰對(duì)應(yīng)角度； 為比例常數(shù)。用不同衍射峰對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算得納米平均粒徑為3n， 該結(jié)果與圖中 所觀察到的粒子的大小接近。.納米粒子的電化學(xué)性能測(cè)試. 循環(huán)伏安測(cè)試循環(huán)伏安法是區(qū)分雙電層電容和贗電容最便捷的方法。根據(jù)贗電容的儲(chǔ)能原理，在電極的工作電勢(shì)窗內(nèi)， 理想電極材料的循環(huán)伏安譜圖有明顯的氧化還原峰。圖為納米電極材料在 的溶液中， 在的掃描速度下得到的循環(huán)伏安曲線。從圖可以看出，

29、由于反應(yīng)中法拉第電子的轉(zhuǎn)移， 曲線在.9和.有明顯的氧化還原峰，說明電化學(xué)贗電容的特征明顯，且可逆性良好。圖為在l的溶液中，不同掃描速度下電極材料的循環(huán)伏安曲線。由圖可知，隨著掃描速度的增加，納米材料的循環(huán)伏安曲線到達(dá)電流平臺(tái)的時(shí)間也在延長(zhǎng)，且曲線彎曲變大。這是由于在低掃描速度時(shí)， 能充分?jǐn)U散到活性物質(zhì)中的孔口及附近， 使活性物質(zhì)得到充分利用；而在高的掃描速度下，電極的電化學(xué)極化和濃差極化會(huì)增強(qiáng)；而且在堿性很強(qiáng)的溶液中，的表面部分被氧化形成了絕緣膜，該膜在電極快速充放電過程中阻礙了離子向電極的遷移。所以，在較低的掃描速度下，電極表現(xiàn)出良好的電容性質(zhì)，在.范圍內(nèi)曲線呈現(xiàn)較好的矩形， 雖然兩端有一

30、定的彎曲， 但在較大的掃描速度下，曲線彎曲更為嚴(yán)重，同時(shí)電極的比電容下降極為嚴(yán)重。.交流阻抗分析交流阻抗往往被列為反映電極材料電化學(xué)性能好壞的重要指標(biāo)之一， 已經(jīng)成為電化學(xué)中的一種必不可少的分析手段。其中， 交流阻抗圖包括高頻區(qū)的容抗弧、 中頻區(qū)的傾斜角和低頻區(qū)的一條接近理想電容響應(yīng)曲線的直線。阻抗半圓的截距差表示的是體系的接觸電阻， 為電解質(zhì) 氧化物界面由于電荷傳導(dǎo)引起的阻抗， 說明存在明顯的電荷轉(zhuǎn)移過程。圖是 電極材料在/的溶液中， 于× ×z范圍內(nèi)的交流阻抗曲線。電極材料在低頻區(qū)斜線的斜率較大，表現(xiàn)出比較大的比電容。圖中半圓弧為.，表明電極的電阻非常低。在中低頻區(qū)，直

31、線的斜率反映了電解質(zhì)離子在電極空隙內(nèi)的擴(kuò)散電阻，曲線斜率越接近， 表明電極越接近電容元的響應(yīng)曲線， 圖中的斜率較大，說明電解液在電極材料中的擴(kuò)散速度大，擴(kuò)散電阻小；低頻區(qū)的斜線表示的是電容特性。.3電極材料的恒電流充放電性能測(cè)試恒電流充放電，即在恒電流下充電后通過一個(gè)確定的負(fù)載放電。通過恒電流充放電， 可以確定該體系的比電容，從而驗(yàn)證電極材料的電化學(xué)性能。圖是納米電極材料在電流密度為， 充放電的電壓為.時(shí)的恒電流充放電曲線。由圖可知， 曲線呈現(xiàn)三角形對(duì)稱分布， 表明電極材料具有電容的典型充放電特性， 并且電極反應(yīng)可逆性好。利用式 （） 可計(jì)算出電極材料的比電容。 。 （ ）式中： 為超級(jí)電容器

32、比電容，/； 為充放電電流，；為活性物質(zhì)質(zhì)量，；為放電時(shí)間間隔內(nèi)電壓的變化，可由恒電流放電曲線斜率的倒數(shù)求得。根據(jù)式（ ）可求得比電容為.。結(jié)論通過一系列反應(yīng)條件的控制， 得到平均粒徑為6.n的微粒，分散性良好。經(jīng)過循環(huán)伏安、 交流阻抗以及恒電流充放電等電化學(xué)性能的測(cè)試， 結(jié)果表明納米適合作為超級(jí)電容器的電極材料， 將納米作為電極材料應(yīng)用到超級(jí)電容器上是今后研究的主要方向。此外， 隨著超級(jí)電容器的發(fā)展， 混合超級(jí)電容器越來越受到研究者的重視，因此將納米3與其他電極材料組合研究也是未來要研究的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：1 CONWAYBE.Electrochemical Supercapacitor an

33、d Technological M. New York:Kluwer-Okebyn Oressm 1999.2 張治安，鄧梅根，楊邦朝電化學(xué)電容器的特點(diǎn)及應(yīng)用 電子元件與材料(Electronic Components&Materials),2003,22(11);1-53 李玉佩， 李景印， 段立謙 高性能超級(jí)電容器電極材料的研究進(jìn)展 河北工業(yè)科技（Hebei Journal of Industrial Science and Technolo-gy）,2010,27(1):56-59.4 程杰， 張文峰， 張浩， 等 高比能量電化學(xué)電容器及材料的進(jìn)展 電池(Cel),2008,9(

34、1):19-22.5 LI W,REICHCNAUER G,FRICKE J, Carbon aerogels derived from crsolresorcinol-formaldehyde for supercapacitors J, Carbon,2002,40(15):2955-2959.6 CONWAY B E.Transition from “Supercapacitor”to “Battery”behavior in electrochemical energy storageJ.J Elecrochem Soc,1991,138(6):1539-1548.7 SARANGAP

35、ANI S, TILAK B V, CHEN C P . Materials for electrochemical capacitorsJ. J Eletrochem Soc,1996,143(11):3791-3799.8 SKOWRONSKI J M ,JUREWICZ K. Positive electrode for galvanic cells prepared by anodization of CrO3-graphite intercalation com-pounds in aqueous sulfuric acidJ.J Power Sources，1993，41(3):263-276.9 GRUPIONI A A F，LASSALI T A F. Effect of the CO3O4 introduction in the pseudocapacitive behavior of IrO2-based