摘 要

自十七世纪第一次工业革命以来，化石能源一直是人类主要且不可或缺的能源。然而，由于化石能源的不可再生和对自然环境的破坏，高效、环境友好的化学储能技术成为解决这个问题的关键。近年来，碳纳米管引起了人们的广泛关注，其中最引人注目的是其非凡的机械性能和独特的电化学性能，MWCNT（多壁碳纳米管）也可以作为无机纳米结构合成的基体。

本研究制备的MWCNT/Ni(OH)₂复合材料以MWCNT和四水合乙酸镍为原料，采用两步水热法制备而成。研究不同实验条件下此复合材料的微观形貌和电化学性能。实验表明，在水热温度为190 ℃，反应时间为10 h时制备的MWCNT/Ni(OH)₂复合材料的微观形貌最均匀，这时由实验可得，扫描速率是5 mV/s时，此材料的比电容是1422 F/g，当电流密度是3 A/g时，比电容是1192 F/g。

关键字：MWCNT Ni(OH)₂ 复合材料 水热法 电化学性能

Hydrothermal Synthesis of MWCNT/Ni(OH)₂ and Its Electrochemical Properties

Abstract

In the first industrial revolution in the 17th century, fossil energy becomes the primary and indispensable power source for us. However, because fossil energy is non-renewable and causes harm to the ecological balance. The valid and green chemical energy storage is vital to address this issue. In recent years, carbon nanotubes has got extensive attention because it has great mechanical and electrochemical characteristics. MWCNT (multi-wall carbon nanotubes) can be used as the matrix for the synthesis of inorganic nanostructures.

The MWCNT/Ni(OH)₂ composites in this study is acquired by two-step hydrothermal method and the crude material is MWCNT and Ni(CH₃COO)₂ • 4H₂O. The microtopography and electrochemical characteristics of the material is characterizad under different experimental conditions. The experimental results show that the MWCNT/Ni(OH)₂ composites have the best micro-morphology and electrochemical performance when the hydrothermal temperature is 190 °C and the reaction time is 10 h. The results indicate that when the sweep rate is 5 mV/s, the capacitance is 1422 F/g. When the ampere density is 3 A/g, the capacitance is 1192 F/g.

Key words: MWCNT; Ni(OH)₂; Hydrothermal method; Composite materials; Electrochemical performance

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 碳纳米管简介 1

1.2.1 发展概况 2

1.2.2 制备方法 2

1.2.3 碳纳米管的应用 2

1.2.4 碳纳米管基复合材料以及当前研究进展 3

1.3 超级电容器简介 4

1.3.1 超级电容器特性 4

1.3.2 超级电容器的应用 5

1.4 水热法简介 5

1.5 本课题研究的思路和研究的内容 6

第二章 实验方法及仪器 7

2.1 药品及仪器 7

2.2 合成MWCNT/Ni(OH)₂复合材料 7

2.2.1 实验步骤 7

2.2.2 实验流程图 8

2.3 物相表征方法 8

2.3.1 X射线能谱显微成分分析（EDS） 8

2.3.2 X射线衍射物相分析（XRD） 9

2.3.3扫描电镜分析（SEM） 9

2.4 电化学测试方法 9

2.4.1 工作电极的制备 9

2.4.2 循环伏安法 10

2.4.3 恒电流充放电法 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 材料形貌和成分表征 11

3.1.1 MWCNT的酸化 11

3.1.2 反应温度对MWCNT/Ni(OH)₂复合材的影响 12

3.1.3 反应时间对MWCNT/Ni(OH)₂复合材料的影响 13

3.2 材料电化学性能测试 15

3.2.1 循环伏安法 15

3.2.2 恒电流放电 16

第四章 结论与展望 17

4.1 结论 17

4.2 展望 17

参考文献 18

致谢 20

第一章 绪论

1.1 前言

赫拉利说过：工业革命的核心，其实就是能源转换的革命。远古时期，人类依靠火也就是热能进行取暖，烹饪以及抵御天敌。现今，我们依靠电能进行各种各样的社会活动。没有电能的世界是无法想象，没有电能的世界是混沌黑暗的，没有电能的世界是停滞不前的。电能属于二次能源，需要其它一次能源（比如石油，可燃气体，煤炭等）转化为电能。而且一些新型能源需要转化为电能才能使用，运用电能的重要条件之一就是如何储存电能。如果缺少优秀的电能储存设备，电能的使用就会受到很大的限制，就会和氢能一样处在十分尴尬的地位。虽然现在有许多高效的电能源储存设备，但是开发更加高效廉价的储存设备依然是现今和未来的一个重要的研究方向。

超级电容器已经成为最有前途的电化学储能器件之一。近年来，通过对新型先进材料的发展和对电荷存储机理的了解，超级电容器领域实现了跨越式发展。然而与电池相比，由于超级电容器的能量密度较低，目前还不能作为主要的电源。因此，若要改善超级电容器的可用性，一个重要的办法就是提高它的能量密度。显而易见，提高电极材料的电极电容是解决这个问题的关键方法。

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