以溶膠凝膠法製備氧化鎳鈷氣凝膠及其複合材料於產氧及儲能之應用

Nickel Cobaltite and Its Composite Materials Prepared with Sol-Gel Methods for Applications in Oxygen Evolution Reaction and Energy Storage Systems

簡馨綺(Hsing-Ghi Chien)

指導教授 ： 呂世源

國立清華大學/工學院/化學工程學系/碩士(2011年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2011.00631

摘要

本研究成功以溶膠-凝膠法製備出氧化鎳鈷氣凝膠，未經鍛燒處理已具有normal-spinel結構之晶相，其比表面積達156 m2/g，經200℃鍛燒處理後，表面積仍有134 m2/g，隨著鍛燒溫度增加，比表面積跟著下降，晶相也有轉移變化。當鍛燒至400℃時，NiCo2O4晶相轉移成inverse-spinel，對氧氣產生效率(oxygen evolution reaction, OER)也造成影響。於電解液1 M KOH中，進行線性循環伏安掃描與其他鍛燒溫度進行比較，可知熱處理200℃時，OER有最佳效率，其Tafel slope，b值為59 mV/dec，而電流密度100 mA時過電位η則是0.184 V，相較於其他文獻上所使用之不同結構NiCo2O4，本研究使用的氣凝膠有著相當好的效率。氧化鎳鈷乾凝膠，同氣凝膠，未經鍛燒處理亦具有normal-spinel結構之晶相，經200℃鍛燒處理後，表面積為113 m2/g，與其他鍛燒溫度比較，熱處理200℃之樣品OER有著最佳效率，其b值為62 mV/dec，η為0.227 V。
　　仿效文獻以熱沉積方式製備出具inverse-spinel結構的氧化鎳鈷奈米顆粒，並與氧化鎳鈷氣凝膠及乾凝膠效率最佳兩組做比較分析。由熱沉積法製備出的奈米顆粒，由於經過600℃高溫鍛燒，使得孔洞體積極小，僅有0.097 cc/g，比表面積為13 m2/g，因此其OER效率不如其他兩者佳，其產氧初始電壓為0.47 V，b值為81 mV/dec，η為0.379 V。因此，本研究中，由溶膠-凝膠法製備出的氧化鎳鈷氣凝膠，於鍛燒溫度200℃時，有最佳的OER效率。
　　為了提升改善氧化鎳鈷在超級電容器上的行為表現，本研究使用高導電性及高比表面積的碳氣凝膠做為骨架，製備出氧化鎳鈷/碳氣凝膠複合電極，比電容值於掃描速率25 mV/s、電解液1 M NaOH、操作電位-0.1~0.55 V vs. Ag/AgCl，可達1,696 F/g，經計算得到，能量密度及功率密度分別為67.6 Wh/kg及16 kW/kg，於下世代超級電容器之設計需求，提供了一個低成本，高效能之材料選擇。

關鍵字

產氧 ； 儲能 ； 氣凝膠

參考文獻

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