二氧化锡的制备及其电容性能
目录
1 引言 1
1.1 二氧化锡简介 1
1.2 超级电容器简介 1
1.3 超级电容器原理 3
1.4 二氧化锡的制备方法5 1.5 选题依据和主要研究内容 6
2 实验部分 8
2.1 主要试剂及仪器设备 8
2.2 实验步骤9
3 结果分析10
3.1 XRD表征10
3.2形貌表征11
3.3电化学测试14
结论21
致谢22
参考文献23
1 引言
1.1 二氧化锡简介
二氧化锡(SnO2)是n型半导体，禁带宽度为3.7- 4.0 eV，具有正四面体金红石结构[1]。由于其具有大比表面积和高表面活性，以及特殊的晶体结构、表面特性和吸附特性，使其在电化学超级电容器领域有良好的应用前景。
SnO2具有的独特的结构以及作为重要的半导体材料引起了人们浓厚的兴趣 ，关于一维SnO2纳米材料的研究成为了热点。 人们不仅制备出了大量形貌不同的一维SnO2纳米材料，而且研究了SnO2纳米结构的场发射、电输运、热传导、光致发光、气敏性、光催化等物理和化学特性。
SnO2 作为新型功能材料，被广泛用于半导体、太阳能电池、气敏传感器以及光学技术中在众多的气敏传感器材料中。目前应用最为广泛也是被研究最多的是SnO2气敏元件，SnO2气敏元件对多种气体都具有很高的灵敏度，如液化石油气、煤气、天然气、一氧化碳、氢气及乙醇等[2]。在众多的金属氧化物中，它的物理稳定性非常好，在较大的温度范围内不会发生相变。它的化学稳定性也很强，通过掺杂和施加涂层可以很好的改善其气体选择性，且其价格低 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
廉，易于制备，因此是一种性能很好的气敏材料，适合于制作传感器。
1.2 超级电容器简介
1.2.1 超级电容器简介
超级电容器(Supercapacitor)，也称为电化学电容器，其不同于二次电池和传统电容器，是一种新型的、具有显著优势的储能元件，具有高功率密度、超大电容量、价格低廉、优异的瞬时充放电性能、循环寿命长等优点，可满足多领域需求，在混合动力源以及启动动力源等方面应用前景广阔，受到人们广泛关注。
相对于传统电容器，超级电容器具有更高的比能量，其容量可高达到数千法拉每克，能量密度是传统电容器10倍以上。超级电容器不同于电池，在很多方面，它的性能明显优于电池。用纳米材料构建的超级电容器具有大功率密度、高充放电容量等显著优势，并且超级电容器可在额定电压内连续多次充电并且能完全放出，超级电容器充放电循环次数高达数十力次，可快速充电，且反复传输高功率脉冲对寿命无影响，这些方面都是电池无法比拟的[3]。超级电容器结合了电池和传统电容器的优点，显示出自身优异的特性。
随着研究的不断深入和发展，超级电容器在通讯科技、电子信息技术、家用电器、数码电子产品、电动汽车、航空航天技术以及国防科技等领域将得到更广泛的应用。由此可见，超级电容器具备很高的研究价值和广阔的应用前景。
1.2.2 超级电容器结构
电化学超级电容器通常包括电化学双层电容器和电化学赝电容器，其能量存储机理不同。如图1.1所示，电化学电容器主要由电极、电解质和隔膜组成。其中，电极包括电极活性材料和集流器两部分。集流器的作用是降低电极的内阻，要求它与电极接触面积大，接触电阻小，而且耐腐蚀性强，在电解液中性能稳定，不发生化学反应。集流器材料的选择主要根据所采用的电解质。通常，酸性电解质可以使用铅材料，碱性电解质可以使用镍材料，而对有机电解质等可以使用廉价的铝材料。隔膜的作用是在防止两个电极物理接触的同时允许离子通过，隔膜的电阻与其厚度成正比，与孔隙率成反比。为了降低电容器的内阻，对隔膜的要求是超薄高孔隙率高强度。通常使用的材料有玻璃纤维和聚丙烯膜等。而电化学赝电容器的能量存储机理为基于电极活性材料的氧化还原反应。
图 1.1 超级电化学双层电容器结构
成品电化学双层电容器主要有两种结构形式。一种是三明治叠层结构的平板式电容器，另一种是将电极片和隔膜卷绕起来形成的卷绕式电容器。两种电容器各有其优缺点，具体来说，卷绕式电容器电极易于制备，且可以容纳大面积电极，但是封装密度低，多个电容器单元串联时占用空间较大，难以在较小的体积内获得较高的工作电压。平板式电容器的封装密度高，而且其形状和结构便于多个电容器的串联以满足对高电压的需要，但难以容纳大面积电极，而且封装外壳需要承受较大的压力。
1.2.3 超级电容器的应用
（1）在电动汽车和混合动力汽车中的应用。电池技术的发展始终是制约整个电动汽车行业发展的主要因素。在车辆启动、加速、爬坡等需要高功率输出时，现有的各类传统电池都不能满足要求，而且高功率输出对传统电池也有严重伤害。在电动车和混合动力汽车中均可以采用大功率超级电容器。超级电容器可以作为一个具有高功率、可在短时间内释放能量的辅助电源，并可回收刹车时得到的能量，在优化的状态下运行。
（2）用于太阳能、风能发电装置辅助电源。超级电容器可以作为太阳能或风能发电装置的辅助电源，将发电装置所产生的能量以较快的速度储存起来，并按照设计要求释放。与传统蓄电池相比，一方面超级电容器对于充放电电流没有严格的限制，更加适合太阳能和风能发电装置电流波动范围较大的特点，另一方面超级电容器的长寿命、免维修和环保特点能够保证这些新型能源杜绝二次污染，并能长时间免维护地使用，成为真正的绿色能源。
1.2.4 超级电容器的发展状况及前景
超级电容器在新能源领域并不是一个陌生的名词。实际上，超级电容器已在该领域历经了几十年的坎坷，虽然它的应用形式同电池不同，但在实际应用上却总被电池取代，此外还面临成本高、技术难度大的劣势。然而，超级电容器在技术上一旦取得突破，将可对新能源产业的发展产生极大的推动力。因此，尽管研发过程困难重重，但攻克它的意义却很重大。
超级电容器从诞生到现在，已经历了三十多年的发展历程。目前，微型超级电容器在小型机械设备上得到广泛应用，例如电脑内存系统、照相机、音频设备和间歇性用电的辅助设施。而大尺寸的柱状超级电容器则多被用于汽车领域和自然能源采集上，并可预见在该两大领域的未来市场上，超级电容器有着巨大的发展潜力。使用寿命久、环境适应力强、高充放电效率、高能量密度，这是超级电容器的四大显著特点，这也使它成为当今世界最值得研究的课题之一。目前，超级电容器的主要研究国为中、日、韩、法、德、加、美。从制造规模和技术水平来看，亚洲暂时领先。
1.3 超级电容器原理
电容器作为一种电荷储存器件，按储存电荷的原理可分为三种：传统静电电容器(electrostatic-capacitor)、双电层电容器(electric-double-layer-capacitor)和赝电容器(Pseudocapacitor，又称电化学电容器)。传统静电电容器主要是通过电介质的极化来储存电荷，它的载流子为电子，而双电层电容器和鹰电容器储存电荷主要是通过电解质离子在电极/电解质界面的聚集或发生氧化还原反应获得的，它们具有比传统静电电容器大得多的比电容量，载流子电子和离子，因此它们二者被统称为超级离子电容器(Super Ionistor)[4]。超级离子电容器按电容产生的机理分为双电层电容器和鹰电容器,下面对它们的基本原理进行描述。
1 引言 1
1.1 二氧化锡简介 1
1.2 超级电容器简介 1
1.3 超级电容器原理 3
1.4 二氧化锡的制备方法5 1.5 选题依据和主要研究内容 6
2 实验部分 8
2.1 主要试剂及仪器设备 8
2.2 实验步骤9
3 结果分析10
3.1 XRD表征10
3.2形貌表征11
3.3电化学测试14
结论21
致谢22
参考文献23
1 引言
1.1 二氧化锡简介
二氧化锡(SnO2)是n型半导体，禁带宽度为3.7- 4.0 eV，具有正四面体金红石结构[1]。由于其具有大比表面积和高表面活性，以及特殊的晶体结构、表面特性和吸附特性，使其在电化学超级电容器领域有良好的应用前景。
SnO2具有的独特的结构以及作为重要的半导体材料引起了人们浓厚的兴趣 ，关于一维SnO2纳米材料的研究成为了热点。 人们不仅制备出了大量形貌不同的一维SnO2纳米材料，而且研究了SnO2纳米结构的场发射、电输运、热传导、光致发光、气敏性、光催化等物理和化学特性。
SnO2 作为新型功能材料，被广泛用于半导体、太阳能电池、气敏传感器以及光学技术中在众多的气敏传感器材料中。目前应用最为广泛也是被研究最多的是SnO2气敏元件，SnO2气敏元件对多种气体都具有很高的灵敏度，如液化石油气、煤气、天然气、一氧化碳、氢气及乙醇等[2]。在众多的金属氧化物中，它的物理稳定性非常好，在较大的温度范围内不会发生相变。它的化学稳定性也很强，通过掺杂和施加涂层可以很好的改善其气体选择性，且其价格低 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
廉，易于制备，因此是一种性能很好的气敏材料，适合于制作传感器。
1.2 超级电容器简介
1.2.1 超级电容器简介
超级电容器(Supercapacitor)，也称为电化学电容器，其不同于二次电池和传统电容器，是一种新型的、具有显著优势的储能元件，具有高功率密度、超大电容量、价格低廉、优异的瞬时充放电性能、循环寿命长等优点，可满足多领域需求，在混合动力源以及启动动力源等方面应用前景广阔，受到人们广泛关注。
相对于传统电容器，超级电容器具有更高的比能量，其容量可高达到数千法拉每克，能量密度是传统电容器10倍以上。超级电容器不同于电池，在很多方面，它的性能明显优于电池。用纳米材料构建的超级电容器具有大功率密度、高充放电容量等显著优势，并且超级电容器可在额定电压内连续多次充电并且能完全放出，超级电容器充放电循环次数高达数十力次，可快速充电，且反复传输高功率脉冲对寿命无影响，这些方面都是电池无法比拟的[3]。超级电容器结合了电池和传统电容器的优点，显示出自身优异的特性。
随着研究的不断深入和发展，超级电容器在通讯科技、电子信息技术、家用电器、数码电子产品、电动汽车、航空航天技术以及国防科技等领域将得到更广泛的应用。由此可见，超级电容器具备很高的研究价值和广阔的应用前景。
1.2.2 超级电容器结构
电化学超级电容器通常包括电化学双层电容器和电化学赝电容器，其能量存储机理不同。如图1.1所示，电化学电容器主要由电极、电解质和隔膜组成。其中，电极包括电极活性材料和集流器两部分。集流器的作用是降低电极的内阻，要求它与电极接触面积大，接触电阻小，而且耐腐蚀性强，在电解液中性能稳定，不发生化学反应。集流器材料的选择主要根据所采用的电解质。通常，酸性电解质可以使用铅材料，碱性电解质可以使用镍材料，而对有机电解质等可以使用廉价的铝材料。隔膜的作用是在防止两个电极物理接触的同时允许离子通过，隔膜的电阻与其厚度成正比，与孔隙率成反比。为了降低电容器的内阻，对隔膜的要求是超薄高孔隙率高强度。通常使用的材料有玻璃纤维和聚丙烯膜等。而电化学赝电容器的能量存储机理为基于电极活性材料的氧化还原反应。
图 1.1 超级电化学双层电容器结构
成品电化学双层电容器主要有两种结构形式。一种是三明治叠层结构的平板式电容器，另一种是将电极片和隔膜卷绕起来形成的卷绕式电容器。两种电容器各有其优缺点，具体来说，卷绕式电容器电极易于制备，且可以容纳大面积电极，但是封装密度低，多个电容器单元串联时占用空间较大，难以在较小的体积内获得较高的工作电压。平板式电容器的封装密度高，而且其形状和结构便于多个电容器的串联以满足对高电压的需要，但难以容纳大面积电极，而且封装外壳需要承受较大的压力。
1.2.3 超级电容器的应用
（1）在电动汽车和混合动力汽车中的应用。电池技术的发展始终是制约整个电动汽车行业发展的主要因素。在车辆启动、加速、爬坡等需要高功率输出时，现有的各类传统电池都不能满足要求，而且高功率输出对传统电池也有严重伤害。在电动车和混合动力汽车中均可以采用大功率超级电容器。超级电容器可以作为一个具有高功率、可在短时间内释放能量的辅助电源，并可回收刹车时得到的能量，在优化的状态下运行。
（2）用于太阳能、风能发电装置辅助电源。超级电容器可以作为太阳能或风能发电装置的辅助电源，将发电装置所产生的能量以较快的速度储存起来，并按照设计要求释放。与传统蓄电池相比，一方面超级电容器对于充放电电流没有严格的限制，更加适合太阳能和风能发电装置电流波动范围较大的特点，另一方面超级电容器的长寿命、免维修和环保特点能够保证这些新型能源杜绝二次污染，并能长时间免维护地使用，成为真正的绿色能源。
1.2.4 超级电容器的发展状况及前景
超级电容器在新能源领域并不是一个陌生的名词。实际上，超级电容器已在该领域历经了几十年的坎坷，虽然它的应用形式同电池不同，但在实际应用上却总被电池取代，此外还面临成本高、技术难度大的劣势。然而，超级电容器在技术上一旦取得突破，将可对新能源产业的发展产生极大的推动力。因此，尽管研发过程困难重重，但攻克它的意义却很重大。
超级电容器从诞生到现在，已经历了三十多年的发展历程。目前，微型超级电容器在小型机械设备上得到广泛应用，例如电脑内存系统、照相机、音频设备和间歇性用电的辅助设施。而大尺寸的柱状超级电容器则多被用于汽车领域和自然能源采集上，并可预见在该两大领域的未来市场上，超级电容器有着巨大的发展潜力。使用寿命久、环境适应力强、高充放电效率、高能量密度，这是超级电容器的四大显著特点，这也使它成为当今世界最值得研究的课题之一。目前，超级电容器的主要研究国为中、日、韩、法、德、加、美。从制造规模和技术水平来看，亚洲暂时领先。
1.3 超级电容器原理
电容器作为一种电荷储存器件，按储存电荷的原理可分为三种：传统静电电容器(electrostatic-capacitor)、双电层电容器(electric-double-layer-capacitor)和赝电容器(Pseudocapacitor，又称电化学电容器)。传统静电电容器主要是通过电介质的极化来储存电荷，它的载流子为电子，而双电层电容器和鹰电容器储存电荷主要是通过电解质离子在电极/电解质界面的聚集或发生氧化还原反应获得的，它们具有比传统静电电容器大得多的比电容量，载流子电子和离子，因此它们二者被统称为超级离子电容器(Super Ionistor)[4]。超级离子电容器按电容产生的机理分为双电层电容器和鹰电容器,下面对它们的基本原理进行描述。
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