一种FeCo2O4//AC水系非对称光辅助超级电容器及其制备方法与流程

一种feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器及其制备方法
技术领域
1.本发明属于能源材料技术领域，尤其涉及一种feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器及其制备方法。


背景技术：

2.随着能源的不断消耗和环境的日益恶化，碳中和已成为世界各国普遍关注的问题。对于可再生能源的开发、利用和存储的研究已迫在眉睫。超级电容器具有高功率密度、快速充放电能力、长循环寿命和低维护成本等不可替代的特性，被认为是消费类电子产品、电动汽车和智能电网领域具有潜力的能源存储设备。与传统电容器相比，超级电容器具有更高的电容，在较高的功率下，也能够释放能量。然而，较低的能量密度使其无法发挥更大的储能作用。
3.最近，光辅助充电储能设备(光辅助超级电容器)的出现，为实现太阳能参与能量转换和储存提供了一种有效途径。光辅助超级电容器，通过电能和太阳能来充电并且储存能量。除了电能之外，光生电荷也有助于充电过程，因此，在光照下，光辅助超级电容器的电容和储能能力增加。光辅助超级电容器的充电和放电过程与普通超级电容器的原理相似，唯一的不同是利用太阳能来引发光生电子的产生。具有光敏性和赝电容性的半导体材料成为光辅助充电装置的优选电极。由于低成本、环境友好并且具有较高活性，过渡金属氧化物(例如co3o4、fe3o4)被广泛用作超级电容器、锂离子电池、燃料电池和光催化等领域。但是，为了提高储能能力，光辅助超级电容器电极材料应具有较高的光生空穴
‑
电子的分离效率以及较长的激发空穴寿命。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对电极材料对光响应不敏感导致储能能力的不足，提供一种feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器及其制备方法。本发明制备的水系非对称光辅助超级电容器，是以一种光敏材料feco2o4作为正极，活性炭ac作为负极。拓宽了电压窗口，在光照前后储能能力有了明显提升。
5.本发明采用的技术方案是：一种feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器，以泡沫镍为基底，在泡沫镍上原位生长feco2o4，所得材料作为正极材料；以泡沫镍为基底，在泡沫镍上涂覆活性炭ac，所得材料作为负极材料；以1m koh溶液作为电解液，在光照下，组装成feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器。
6.一种feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器的制备方法，包括如下步骤：
7.1)正极材料制备：将feso4·
7h2o、co(no3)2·
6h2o、co(nh2)2和nh4f溶解在蒸馏水中，搅拌至充分溶解，得混合溶液；将混合溶液转移至高压釜中，并放入泡沫镍，进行水热反应，反应完成后冷却至室温；取出泡沫镍，洗涤，干燥，得泡沫镍上原位生长feco2o4，所得材料作为正极材料；
8.2)负极材料制备：将活性炭ac、乙炔黑和pvdf混合，加入少量无水乙醇，充分搅拌
后，涂覆在泡沫镍上，压片处理，所得材料作为负极材料；
9.3)以1m koh溶液作为电解液，将正极材料和负极材料包裹起来，中间加一层隔膜，在光照下，组装成feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器。
10.进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，按摩尔比，feso4·
7h2o:co(no3)2·
6h2o:co(nh2)2:nh4f＝1:2:5:2。
11.进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，按固液比，feso4·
7h2o:蒸馏水＝0.27g：30
‑
50ml。
12.进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述水热反应是，在120℃下水热反应2
‑
6h。
13.进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述洗涤为，分别用去离子水和无水乙醇冲洗；所述干燥为，60
‑
65℃干燥6
‑
8h。
14.进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，按质量比，活性炭ac:乙炔黑:pvdf＝8:1:1。
15.进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，乙醇的用量为，每10mg活性炭ac、乙炔黑和pvdf的质量总和加入1ml乙醇。
16.进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，所述压片处理中，压力为10
‑
15mpa。
17.本发明提供的feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器在储能中的应用。
18.本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：
19.1、本发明，通过水热法将feco2o4负载在泡沫镍基底上，合成一体化电极。合成方法简单、价格低廉、使用安全。
20.2、本发明，选择具有多重氧化态的feco2o4作为光敏电极，有助于载流子传输，促进在电极表面发生快速可逆的法拉第反应。此外，由于混合氧化态的存在，feco2o4具有更好的电荷分离效率，能够提供更多的活性位点。
21.3、本发明，利用feco2o4和ac组装的水系非对称光辅助超级电容器，电压窗口可拓宽到1.5v。在实际应用中，两个该器件串联起来，加以模拟太阳光照射，可点亮4个红色led灯。
附图说明
22.图1是本发明制备的feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器正极材料的xrd图。
23.图2是本发明制备的feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器的原理图。
24.图3是本发明制备的feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器的电压贡献。
25.图4是本发明制备的feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器光照前后，在1a/g下的恒流充放电曲线。
26.图5是本发明制备的feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器在不同电流密度下的比电容值对比图。
27.图6是本发明制备的feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器在光照下点亮led灯的照片。
具体实施方式
28.实施例1 feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器
29.(一)制备方法如下
30.1、正极材料的制备
31.将feso4·
7h2o(0.27g，1mmol)、co(no3)2·
6h2o(0.58g，2mmol)、co(nh2)2(0.3，5mmol)和nh4f(0.074g，2mmol)溶解在40ml蒸馏水中，搅拌至充分溶解，得到混合溶液。
32.将混合溶液转移至高压釜中，并放入1
×
1.5cm2大小的泡沫镍作为基底，在120℃进行水热反应6小时，在泡沫镍上原位生长feco2o4，待反应完成后冷却至室温，分别用去离子水和无水乙醇冲洗3
‑
5次，在60℃下干燥6小时，所得材料作为正极材料。
33.所得正极材料，其相对应的xrd谱图如图1所示，所制备的样品在44.5
°
、51.9
°
和76.5
°
处有三个很强的尖峰，与泡沫镍基底(jcpds编号04
‑
0850)的峰相对应。在23.7
°
、34.5
°
、39.0
°
、46.5
°
、56.0
°
、61.0
°
和66.4
°
处的特征峰分别对应于feco2o4的(111)、(220)、(311)、(400)、(511)、(422)和(440)晶面。说明成功合成了feco2o4正极材料。
34.2、负极材料的制备
35.将8mg活性炭ac、1mg乙炔黑和1mg pvdf混合，加入1ml无水乙醇，充分搅拌，以泡沫镍为基底，将混合物涂覆在1
×
1.5cm2大小的泡沫镍上，并于红外干燥箱中干燥；随后，用压片机在10mpa下处理5分钟，所得材料作为负极材料。
36.3、组装
37.如图2所示，以1m koh作为电解液(1)；以泡沫镍(2)为基底，在泡沫镍上原位生长feco2o4(3)获得的材料作为正极材料(4)；以泡沫镍(2)为基底，涂覆活性炭ac(5)获得的材料作为负极材料(6)；正极材料(4)和负极材料(6)中间加一层隔膜(7)，光照下组装成feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器。
38.实施例2 feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器在储能中的应用
39.(一)方法
40.采用实施例1制备的feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器，以500w的氙灯配备am1.5模拟太阳光滤光片作为光源。
41.(二)检测
42.1、feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器的电压范围的测定
43.图3是正极材料和负极材料在三电极体系中，50mv s
‑1扫速下的循环伏安曲线图。该水系非对称光辅助超级电容器的正极材料feco2o4的电压窗口在0～0.5v，负极材料ac的电压窗口范围是
‑
1～0v。在feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器中将两个电极组合后，得到的总电压窗口可扩展到1.5v。
44.2、feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器的恒流充放电曲线分析
45.图4是feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器在1a/g的电流密度下，光照前后的恒流充放电曲线图。可以观察到，经光照后，充放电时间明显增强，比电容值有所提高。
46.3、feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器的比电容性能分析
47.根据下列比电容c(f/g)计算公式：
48.49.其中，i：充放电电流(a)
50.δt：放电时间(s)
51.m：活性材料负载到泡沫镍上的质量(g)
52.δv：充放电电压(v)
53.计算得到本发明水系非对称光辅助超级电容器在光照前后的比电容值，如图5所示。在1a/g下，经光照后，最高比电容值可达157f/g，高于未经光照时的124f/g。经光照后，比电容值提高了26.6％。
54.4、feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器的实际应用
55.如图6所示，将两个实施例1制备的feco2o4//ac水系非对称光辅助超级电容器串联，在模拟太阳光的辅助下，可以点亮4个红色led灯，进一步证明本发明具有相当大的实际应用潜力。