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Ni3S2 -多孔镍@泡沫镍电极制备及其赝电容性能

赵少飞, 刘鹏, 李婉萍, 曾小红, 余林, 曾华强

赵少飞, 刘鹏, 李婉萍, 曾小红, 余林, 曾华强. Ni3S2 -多孔镍@泡沫镍电极制备及其赝电容性能[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2020, 52(6): 28-33. DOI: 10.6054/j.jscnun.2020090
引用本文: 赵少飞, 刘鹏, 李婉萍, 曾小红, 余林, 曾华强. Ni3S2 -多孔镍@泡沫镍电极制备及其赝电容性能[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2020, 52(6): 28-33. DOI: 10.6054/j.jscnun.2020090
ZHAO Shaofei, LIU Peng, LI Wanping, ZENG Xiaohong, YU Lin, ZENG Huaqiang. Preparation of Ni3S2-Ni@Ni Foam Electrode and Its Pseudocapacitance Properties[J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2020, 52(6): 28-33. DOI: 10.6054/j.jscnun.2020090
Citation: ZHAO Shaofei, LIU Peng, LI Wanping, ZENG Xiaohong, YU Lin, ZENG Huaqiang. Preparation of Ni3S2-Ni@Ni Foam Electrode and Its Pseudocapacitance Properties[J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2020, 52(6): 28-33. DOI: 10.6054/j.jscnun.2020090

Ni3S2 -多孔镍@泡沫镍电极制备及其赝电容性能

基金项目: 

国家自然科学基金项目 21306026

国家自然科学基金项目 21576054

国家自然科学基金项目 51678160

详细信息
    通讯作者:

    余林,教授,Email:gych@gdut.edu.cn

    曾华强,教授,Email:hqzeng@nbl.a-star.edu.sg

  • 中图分类号: TQ152;O646

Preparation of Ni3S2-Ni@Ni Foam Electrode and Its Pseudocapacitance Properties

  • 摘要: 采用氢气鼓泡法预处理泡沫镍集流体,通过循环伏安法原位电沉积Ni3S2活性材料,制备了Ni3S2-多孔镍@泡沫镍(Ni3S2-Ni@NF)电极.通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)对物相结构进行了表征,并利用电化学工作站测试了电化学性能.结果表明:制备的Ni3S2-Ni@NF材料表现出优异的赝电容性能,在2 mA/cm2的电流密度下,比电容达到4.56 F/cm2,且具有优异的倍率性能(20 mA/cm2的电流密度下,比电容达到4.06 F/cm2)和循环性能(10 mA/cm2的电流密度下,循环1 000次的比电容保持率约73%).
    Abstract: Ni3S2 coated on well-designed hierarchical porous Ni@Ni foam (Ni3S2-Ni@NF) was fabricated with the novel method of hydrogen-bubble template electrodeposition and in-situ cyclic voltammetry electrodeposition. The physical phase and morphological properties of the as prepared samples were characterized with scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Raman spectroscopy. The electrochemical capacitance properties were tested with an electrochemical workstation. The Ni3S2-Ni@NF electrode demonstrates a much higher specific capacitance of 4.56 F/cm2 at a current density of 2 mA/cm2. The Ni3S2-Ni@NF also exhibits excellent rate capability (4.06 F/cm2 at a current density of 20 mA/cm2) and cycle performance (73% after 1 000 cycles).
  • 近几十年来,分数阶微分方程及其边值问题受到了许多学者的关注,在很多科学领域中都有着广泛的应用。目前,关于分数阶微分方程边值问题的研究已经有很多成果[1-13],但是关于边值条件中带不同分数阶导数的研究相对较少。

    薛益民等[1]运用Guo-Krasnosel'skii's不动点定理,得到如下分数阶微分方程正解的存在性:

    {Dαu(t)+f(t,u(t))=0(0<t<1),u(0)=Dβu(0)=Dβu(1)=0,

    其中, Dα(2 < α≤3)为Rimann-Liouvile分数阶导数。

    张凯斌和陈鹏玉[3]运用非紧性测度的估计技巧与凝聚映射的不动点指数理论,得到如下分数阶微分方程正解的存在性:

    {Dα0+u(t)=f(t,u(t))(0<t<1),u(0)=u(0)=u(1)=θ,

    其中, D0+α为Rimann-Liouvile分数阶导数,2 < α≤3。

    受文献[1]、[3]的启发,本文考虑如下带有分数阶导数边值条件的分数阶微分方程

    {Dv0+u(t)+h(t)f(t,u(t))=0(0<t<1,n1<vn),u(0)=u(0)=u(0)==u(n2)(0)=0(n3),(Dα0+u(t))t=1=m2i=1βi(Dαi0+u(t))t=ηi(1α,αin2), (1)

    其中, ηi∈(0, 1), 0 < η1 < η2 < … < ηm-2 < 1, βi∈[0, ∞)。需要指出的是,这里的边值条件中带有不同阶数的分数阶导数。

    文中首先构建其格林函数,得到相应的相关性质;其次, 运用凸泛函上的不动点指数定理来计算不动点指数,从而得到了方程(1)至少存在一个正解的结论; 最后, 通过一个例子来说明定理的具体应用。

    首先,给出一些必要的定义和引理,推导出相应的带有分数阶导数边值条件的分数阶微分方程的格林函数,并给出格林函数的一些性质;然后,将方程(1)转化为一个等价的积分方程。

    定义1[6]   函数y: (0, +∞)→Rv>0阶Riemann-Liouville积分定义如下

    Iv0+y(t)=1Γ(v)t0(ts)v1y(s)ds,

    其中, 等式右边是在(0, +∞)上逐点定义的。

    定义2[6]   函数y: (0, +∞)→Rv>0阶Riemann-Liouville微分定义如下

    Dv0+y(t)=1Γ(nv)(ddt)nt0y(s)(ts)vn+1 ds,

    其中,等式右边是在(0, +∞)上逐点定义的,n=[α]+1。

    引理1[6]   假设uC(0, 1)∩L[0, 1], 有v>0阶导数Dv0+C(0, 1)∩L[0, 1], 则

    Iv0+Dv0+u(t)=u(t)+C1tv1+C2tv2++CNtvN,

    其中,CiR(i=1, 2, …, N), N是大于或等于v的最小整数。

    为下文叙述方便,现给出如下假设条件:

    (H1)Γ(v)Γ(vα)m2i=1βiΓ(v)Γ(vαi)(ηi)vαi1>0

    (H2)h: (0, 1)→[0, ∞)连续, h(t)不恒等于0。允许h(t)在t=0, 1处奇异,且

    0<10G(1,t)h(t)dt<+ 。  (2)

    (H3)f: [0, 1]×[0, +∞)→[0, +∞)连续。

    引理2   给定yC[0, 1], 边值问题

    {Dv0+u(t)+y(t)=0(0<t<1,n1<vn),u(0)=u(0)=u(0)==u(n2)(0)=0(n3),(Dα0+u(t))t=1=m2i=1βi(Dαi0+u(t))t=ηi(1α,αin2) (3)

    有唯一解

    u(t)=10G(t,s)y(s)ds,

    这里ηi∈(0, 1), 0 < η1 < η2 < … < ηm-2 < 1, βi∈[0, ∞), 其中

    G(t,s)={1p(0)Γ(v)p(s)(1s)vα1tv1(ts)v1p(0)(0st1),1p(0)Γ(v)(1s)vα1p(s)tv1(0ts1),
    p(s)=Γ(v)Γ(vα)sηiβiΓ(v)Γ(vαi)(ηis1s)vαi1(1s)ααi

    证明   应用引理1,将微分方程(3)转化为等价的积分方程

    u(t)=C1tv1+C2tv2++CntvnIv0+y(s)

    u(0)=u′(0)=u″(0)=…=u(n-2)(0)=0, 可得C2=C3=…=Cn=0。又由Dα[tv1]=Γ(v)Γ(vα)tvα1, 再代入边值条件(Dα0+u(t))t=1=m2i=1βi(Dαi0+u(t))t=ηi, 可得

    C1Γ(v)Γ(vα)1vα11Γ(vα)10(1s)vα1y(s)ds=m2i=1βi[C1Γ(v)Γ(vαi)(ηi)vαi11Γ(vαi)ηi0(ηis)vαi1y(s)ds],

    整理得

    C1=1Γ(v)Γ(vα)m2i=1βiΓ(v)Γ(vαi)(ηi)vαi1×[1Γ(vα)10(1s)vα1y(s)dsm2i=1βi1Γ(vαi)ηi0(ηis)vαi1y(s)ds]

    于是

    u(t)=tv1Γ(v)Γ(vα)m2i=1βiΓ(v)Γ(vαi)(ηi)vαi1×[1Γ(vα)10(1s)vα1y(s)dsm2i=1βi1Γ(vαi)ηi0(ηis)vαi1y(s)ds]1Γ(v)t0(ts)v1y(s)ds=10[(1s)vα1Γ(v)p(0)×p(s)tv1y(s)]ds1Γ(v)t0(ts)v1y(s)ds=t0(1s)vα1p(s)tv1(ts)v1p(0)Γ(v)p(0)y(s)ds+1t(1s)vα1p(s)tv1Γ(v)p(0)y(s)ds=10G(t,s)y(s)ds

    证毕。

    引理3   函数p(s)在0, 1上单调不减且恒正。

    证明   因为

    p(s)=sηiβiΓ(v)Γ(vαi)(vαi1)(ηis)vαi2×(1s)αi+1v(1s)ααi+sηi[βiΓ(v)Γ(vαi)(αi+1v)×(ηis)vαi1(1s)αiv(1s)ααi]+sηi[βiΓ(v)Γ(vαi)(ααi)(ηis)vαi1(1s)αi+1v×(1s)ααi1]=sηi[βiΓ(v)Γ(vαi)(ηis)vαi2×(1s)αiv(1s)ααi((vαi1)(1s)+(αi+1v)(ηis)+(ααi)(ηis))]=sηi[βiΓ(v)Γ(vαi)(ηis)vαi2(1s)αv×((vαi1)(1s)(vαi1)(ηis)+(ααi)(ηis))]0,

    p(s)单调不减。

    又根据假设H1知,

    p(0)=Γ(v)Γ(vα)m2i=1βiΓ(v)Γ(vαi)(ηi)vαi1>0,

    从而知p(s)≥p(0)>0。证毕。

    引理4   函数G(t, s)具有如下性质:

    (1) ∀t, s∈[0, 1], 有G(t, s)≥0;

    (2) ∀t∈[0, 1], 有G(t, s)≤G(1, s);

    (3) ∀ 14t≤34, 有G(t, s)≥(14)v-1G(1, s)。

    证明   (1)当0 < st≤1时, 有

    G(t,s)=1p(0)Γ(v)[tv1p(s)(1s)vα1p(0)(ts)v1)=tv1p(0)Γ(v)[p(s)(1s)vα1p(0)(1st)v1]tv1p(s)p(0)Γ(v)[(1s)vα1(1st)v1]tv1p(s)p(0)Γ(v)[(1s)v1(1st)v1]0 。 

    当0 < ts≤1时, 显然有G(t, s)≥0。

    综上可知,∀t, s∈[0, 1], 有G(t, s)≥0。

    (2) 因为

    tG(t,s)={1p(0)Γ(v)(v1)tv2p(s)(1s)vα1(v1)(ts)v2p(0)(0st1),1p(0)Γ(v)(v1)(1s)vα1p(s)tv2(0ts1),

    所以,当0 < st≤1时, 有

    tG(t,s)=1p(0)Γ(v)[(v1)tv2p(s)(1s)vα1(v1)(ts)v2p(0)](v1)tv2Γ(v)[(1s)vα1(1st)v2]0 。 

    当0 < ts≤1时, 显然有tG(t, s)≥0。

    综上可知,∀t∈[0, 1], 有tG(t, s)≥0, 所以G(t, s)关于t单调不减。因此, ∀t∈[0, 1], 有G(t, s)≤G(1, s)。

    (3) 当1/4≤t≤3/4且0≤st时, 有

    G(t,s)=tv1p(0)Γ(v)[p(s)(1s)vα1p(0)×(1st)v1]tv1p(0)Γ(v)[p(s)(1s)vα1p(0)(1s)v1]=tv1G(1,s)(14)v1G(1,s)

    当1/4≤t≤3/4且0 < ts时, 有

    G(t,s)=1p(0)Γ(v)(1s)vα1p(s)tv1tv1G(1,s)(14)v1G(1,s)

    证毕。

    在Banach空间C[0, 1]中,定义范数为‖u‖=max, 令P={uC[0, 1]: u(t)≥0, t∈[0, 1]}, 则PC[0, 1]上的正锥。取P1={uP: \min\limits_{1 / 4 \leqslant t \leqslant 3 / 4}u(t)≥lu‖}, 其中l=( \frac{1}{4})v-1

    定义如下算子:

    (A u)(t)=\int_0^1 G(t, s) h(s) f(s, u(s)) \mathrm{d} s \quad(t \in[0, 1]) 。

    接下来证明算子A的全连续性。

    引理5   设条件(H1)~(H3)满足, 则算子A: P1P1全连续。

    证明   由引理4可知

    \|A u\| \leqslant \int_0^1 G(1, s) h(s) f(s, u(s)) \mathrm{d} s,

    \begin{gathered} \min\limits_{1 / 4 \leqslant t \leqslant 3 / 4}(A u)(t) \geqslant \min\limits_{1 / 4 \leqslant t \leqslant 3 / 4} \int_0^1 t^{v-1} G(1, s) h(s) f(s, u(s)) \mathrm{d} s \geqslant \\ \left(\frac{1}{4}\right)^{v-1}\|A u\|, \end{gathered}

    从而A: P1P1, 且A(P1)⊂P1。由Azela-Ascoli定理知, 算子A: P1P1全连续。证毕。

    下面介绍凸泛函的2个不动点指数引理。

    定义3[14]   对于锥P上的泛函ρ: P\mathbb{R} , 如果∀x, yP, t∈[0, 1],满足

    \rho(t x+(1-t) y) \leqslant t \rho(x)+(1-t) \rho(y),

    则称ρ是锥P上的凸泛函。

    引理6[14]   设PE中的锥,ΩE中的有界开集,且θΩ。假设算子A: PΩP全连续,ρ: P→[0, +∞)是凸泛函,且满足ρ(θ)=0, 并对∀xθ, ρ(x)>0。如果ρ(Ax)≤ρ(x), 且当xP∂Ω时, Axx, 则不动点指数i(A, PΩ, P)=1。

    引理7[14]   设PE中的锥,ΩE中的有界开集。假设算子A: PΩP全连续,ρ: P→[0, +∞)是一致连续的凸泛函,且满足ρ(θ)=0, 并对∀xθ, ρ(x)>0。如果

    (i) \inf\limits_{x \in P \cap \partial \varOmega} \rho(x)>0 ;

    (ii) ρ(Ax)≥ρ(x)且对∀xP∂Ω, Axx, 则不动点指数i(A, PΩ, P)=0。

    h_0=\int_0^1 G(1, t) h(t) \mathrm{d} t, h_\tau=\int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) \mathrm{d} t,

    显然有h0hτ>0。

    定理1   假设条件(H1)~(H3)成立, s∈[0, 1], 如果存在常数ab, 使得当a, b>0时, 有

    (i) b < a;

    (ii) f(s, u(s))≤h0-1u  (ubl-1hτ-1);

    (iii) f(s, u(s))≥hτ-1u  (ahτ-1l≤uahτ-1l-1),

    则带有分数阶导数边值条件的分数阶微分方程(1)至少存在一个正解。

    证明   令

    \rho_1(u)=\int_0^1 G(1, t) h(t) u(t) \mathrm{d} t,

    ρ1: P1→[0, +∞)是一致连续的凸泛函,且ρ1(θ)=0。

    uP1\{θ}, 有

    \begin{aligned} \rho_1(u) \geqslant & \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) u(t) \mathrm{d} t \geqslant \\ & l\|u\| \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) \mathrm{d} t>0 。 \end{aligned}

    Ω1={uC[0, 1]|ρ1(u) < b}。显然Ω1C[0, 1]上的开集,且θΩ1

    如果uP1Ω1, 则

    \begin{aligned} b \geqslant & \rho_1(u)=\int_0^1 G(1, t) h(t) u(t) \mathrm{d} t \geqslant \\ & l\|u\| \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) \mathrm{d} t=l\|u\| h_\tau 。 \end{aligned}

    因此‖u‖≤bl-1hτ-1, 这意味着P1Ω1是有界的。

    如果uP1∂Ω1, 则ρ1(u)=b且‖u‖≤bl-1hτ-1,因此

    \begin{aligned} \rho_1(A u)= & \int_0^1\left[G(1, t) h(t) \int_0^1 G(t, s) h(s) f(s, u(s)) \mathrm{d} s\right] \mathrm{d} t \leqslant \\ & \int_0^1\left[G(1, t) h(t) \int_0^1 G(1, s) h(s) f(s, u(s)) \mathrm{d} s\right] \mathrm{d} t \leqslant \\ & \int_0^1 G(1, t) h(t) \mathrm{d} t \int_0^1 G(1, s) h(s) h_0^{-1} u(s) \mathrm{d} s= \\ & \int_0^1 G(1, s) h(s) u(s) \mathrm{d} s=\rho_1(u) 。 \end{aligned}

    假设AP1∂Ω1上没有不动点,则由引理6知

    i\left(A, P_1 \cap \varOmega_1, P_1\right)=1。

    \rho_2(u)=\int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) u(t) \mathrm{d} t,

    ρ2: P1→[0, +∞)是一致连续的凸泛函,且ρ2(θ)=0,ρ2(u)>0(uP1\θ)。

    Ω2={uC[0, 1]|ρ2(u), 显然Ω2C[0, 1]上的开集。

    如果uP1Ω2, 则

    a \geqslant \rho_2(u) \geqslant l\|u\| \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) \mathrm{d} t=l\|u\| h_{\tau }。

    于是‖u‖≤al-1hτ-1, 这意味着P1Ω2是有界的。

    如果uP1∂Ω2, 则ρ2(u)=a且‖u‖≤al-1hτ-1。由于

    \begin{aligned} a= & \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) u(t) \mathrm{d} t \leqslant \\ & \|u\| \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) \mathrm{d} t=\|u\| h_\tau, \end{aligned}

    则‖u‖≥ahτ-1, 于是

    \min\limits_{1 / 4 \leqslant l \leqslant 3 / 4} u(t) \geqslant l\|u\| \geqslant {lah}_\tau^{-1},

    所以

    \begin{aligned} \rho_2(A u)= & \int_{1 / 4}^{3 / 4}\left[G(1, t) h(t) \int_0^1 G(t, s) h(s) f(s, u(s)) \mathrm{d} s\right] \mathrm{d} t \geqslant \\ & \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) \mathrm{d} t \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, s) h(s) h_\tau^{-1} u(s) \mathrm{d} s= \\ & \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(t, s) h(s) \mathrm{d} s=\rho_2(u) 。 \end{aligned}

    假设AP1∂Ω2上没有不动点,由引理7知

    i\left(A, P_1 \cap \varOmega_2, P_1\right)=0 \text { 。 }

    uP1Ω1, 有

    \rho_2(u) \leqslant \int_0^1 G(1, t) h(t) u(t) \mathrm{d} t \leqslant \rho_1(u) \leqslant b<a,

    P1Ω1P1Ω2, 从而有

    i\left(A, P_1 \cap\left(\varOmega_2 \ \bar{\varOmega}_1\right), P_1\right)=-1,

    说明算子AP1∩(Ω2\Ω1)上至少有一个不动点, 即微分方程(1)至少存在一个正解。

    定理2   假设条件(H1)~(H3)成立, s∈[0, 1], 如果存在常数ab, 使得当0 < b时,有

    (i) b < al2hτ2h0-1;

    (ii) f(s, u(s))≥hτ-1u  (blhτ-1ubl-1hτ-1);

    (iii) f(s, u(s))≤ah0-1  (ual-1),

    则带有分数阶导数边值条件的分数阶微分方程(1)至少存在一个正解。

    证明   根据(i)有

    b l^{-1} h_\tau^{-1}<a l^2 h_\tau^2 h_0^{-1} l^{-1} h_\tau^{-1}=a l h_\tau h_0^{-1}<a l^{-1} \text { 。 }

    ubl-1hτ-1, 有

    h_\tau^{-1} u \leqslant h_\tau^{-1} b l^{-1} h_\tau^{-1}<\left(h_\tau^{-1}\right)^2 a l^2 h_\tau^2 h_0^{-1} l^{-1}=a l h_0^{-1}<a h_0^{-1} 。

    \rho_1(u)=\max\limits_{1 / 4 \leqslant t \leqslant 3 / 4} u(t), \rho_2(u)=\int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) u(t) \mathrm{d} t,

    显然有ρi: P1→[0, +∞)是一致连续凸泛函,且ρi(θ)=0(i=1, 2)。

    uP1\{θ}, 有

    \rho_1(u) \geqslant l\|u\|>0, \rho_2(u) \geqslant \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) l\|u\| \mathrm{d} t>0 \text { 。 }

    Ω1={uC[0, 1]|ρ2(u) < b}, Ω2={uC[0, 1]|ρ1(u)。显然Ω1Ω2C[0, 1]上的开集,且θΩ1

    如果uP1Ω1, 则

    b \geqslant \rho_2(u) \geqslant l\|u\| \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) \mathrm{d} t=l\|u\| h_\tau 。

    因此,‖u‖≤bl-1hτ-1, 这意味着P1Ω1是有界的。进一步有

    \rho_1(u) \leqslant\|u\| \leqslant b l^{-1} h_\tau^{-1}<a l^2 h_\tau^2 h_0^{-1} l^{-1} h_\tau^{-1}=a l h_\tau h_0^{-1}<a l<a,

    所以P1Ω1P1Ω2

    如果uP1Ω2, 则

    a \geqslant \rho_1(u) \geqslant l\|u\|,

    于是‖u‖≤al-1, 这意味着P1Ω2是有界的。

    假设AP1∂Ω1P1∂Ω2上没有不动点。如果uP1∂Ω1, 则b=ρ2(u)≤‖uhτ, 且

    \min\limits_{1 / 4 \leqslant l \leqslant 3 / 4} u(t) \geqslant l\|u\| \geqslant l b h_\tau^{-1},

    \begin{array}{r} \rho_2(A u)=\int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t)\left[\int_0^1 G(t, s) h(s) f(s, u(s)) \mathrm{d} s\right] \mathrm{d} t \geqslant \\ \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) h(t) \mathrm{d} t \int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, s) h(s) h_\tau^{-1} u(s) \mathrm{d} s=\rho_2(u)。 \end{array}

    所以, 由引理7知

    i\left(A, P_1 \cap \varOmega_1, P_1\right)=0_{\text {。 }}

    如果uP1∂Ω2, 则

    \begin{gathered} \rho_1(A u)=\max\limits_{1 / 4 \leqslant t \leqslant 3 / 4} \int_0^1 G(t, s) h(s) f(s, u(s)) \mathrm{d} s \leqslant \\ \int_0^1 G(1, s) h(s) a h_0^{-1} \mathrm{~d} s=a=\rho_1(u) 。 \end{gathered}

    由引理6知,

    i\left(A, P_1 \cap \varOmega_2, P_1\right)=1。

    综上可得

    i\left(A, P_1 \cap\left(\varOmega_2 \backslash \bar{\varOmega}_1\right), P_1\right)=1,

    说明算子AP1∩(Ω2\Ω1)上至少有一个不动点, 即微分方程(1)至少存在一个正解。

    为了说明定理的应用性, 下面给出一个具体的实例。

    例1   考虑如下的分数阶微分方程

    \left\{\begin{array}{l} D_{0+}^{\frac{9}{2}} u(t)+\frac{0.6 \mathrm{e}^{0.2021 u}}{1+t}=0 \quad(0<t<1), \\ u(0)=u^{\prime}(0)=u^{\prime \prime}(0)=u^{\prime \prime \prime}(0)=0, \\ \left(D_{0+}^{\frac{5}{2}} u(t)\right)_{t=1}=\frac{1}{8}\left(D_{0+}^{\frac{3}{2}} u(t)\right)_{t=\frac{1}{9}}+\frac{1}{6}\left(D_{0+}^{\frac{1}{2}} u(t)\right)_{t=\frac{1}{3}}, \end{array}\right. (5)

    其中 v=\frac{9}{2}, \alpha=\frac{5}{2}, n=5, \alpha_1=\frac{3}{2}, \alpha_2=\frac{1}{2}, \eta_1=\frac{1}{9}, \eta_2=\frac{1}{3}, \beta_1=\frac{1}{8}, \beta_2=\frac{1}{6}, l=\left(\frac{1}{4}\right)^{\frac{7}{2}}=\frac{1}{128}, h(t)=\frac{1}{1+t} , f(t, u(t))=0.6e0.202 1u。取a≈6.18, b≈0.001。由

    \begin{gathered} p(0)=\frac{\varGamma(v)}{\varGamma(v-\alpha)}-\sum\limits_i \beta_i \frac{\varGamma(v)}{\varGamma\left(v-\alpha_i\right)}\left(\eta_i\right)^{v-\alpha_i-1}= \\ \varGamma\left(\frac{9}{2}\right)\left(1-\frac{1}{1296}-\frac{1}{972}\right)>0, \end{gathered}

    \begin{gathered} G(1, t) \leqslant \frac{1}{p(0)} \approx 0.0096 \quad(0<t<1), \\ G(1, t) \geqslant \frac{0.2421875}{\varGamma(9 / 2)} \approx 0.0023 \quad\left(\frac{1}{4} \leqslant t \leqslant \frac{3}{4}\right) 。 \end{gathered}

    h_0=\int_0^1 G(1, t) \frac{1}{1+t} \mathrm{~d} t, h_\tau=\int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) \frac{1}{1+t},

    h_0=\int_0^1 G(1, t) \frac{1}{1+t} \mathrm{~d} t, h_\tau=\int_{1 / 4}^{3 / 4} G(1, t) \frac{1}{1+t},

    经过推导,当u≤39.752 6≤bl-1hτ-1时,f(t, u(t))≤150.757 4uh0-1u; 当al-1hτ-1u≥62.024 6≥alhτ-1时,f(t, u(t))≥1 284.652 9uhτ-1u

    综上可知,微分方程(5)满足定理1的3个条件,则该方程至少存在一个正解。

  • 图  1   不同材料的SEM图

    Figure  1.   The SEM images of different materials

    图  2   不同材料的XPS谱

    Figure  2.   The XPS spectra of different materials

    图  3   Ni3S2-Ni@NF的XPS谱

    Figure  3.   The XPS spectra of Ni3S2-Ni@NF

    图  4   不同材料在5 mV/s扫速下的CV曲线

    Figure  4.   The CV curves of different samples at a scan rate of 5 mV/s

    图  5   Ni3S2-Ni@NF在不同扫速下的CV曲线及峰电流与扫速的关系

    Figure  5.   The CV curves of the Ni3S2-Ni@NF at various scan rates and the relationship between the peak current and the scan rate

    图  6   Ni3S2-Ni@NF在不同电流密度下的放电曲线及比电容

    Figure  6.   The discharge curves of Ni3S2-Ni@NF and the speci-fic capacitance of different samples under various current densities

    图  7   不同材料的循环曲线

    Figure  7.   The cycling performance of different samples

  • [1]

    SALUNKHE R R, TANG J, KAMACHI Y, et al. Asymmetric supercapacitors using 3D nanoporous carbon and cobalt oxide electrodes synthesized from a single metal-organic framework[J]. ACS Nano, 2015, 9:6288-6296. http://europepmc.org/abstract/MED/25978143

    [2]

    YU Z Y, CHENG Z X, WANG X L, et al. High area-specific capacitance of Co(OH)2/hierarchical nickel/nickel foam supercapacitors and its increase with cycling[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5:7968-7978. http://www.researchgate.net/publication/315922177_High_area-specific_capacitance_of_CoOH2hierarchical_nickel_nickel_foam_supercapacitor_and_increase_with_cycling

    [3]

    ZHAO S F, ZENG L Z, CHENG G, et al. Ni/Co-based metal-organic frameworks as electrode material for high performance supercapacitors[J]. Chinese Chemical Letters, 2019, 30:605-609.

    [4]

    WANG Y, YIN Z L, WANG Z X, et al. Facile construction of Co(OH)2@Ni(OH)2 core-shell nanosheets on nickel foam as three dimensional free-standing electrode for supercapacitors[J]. Electrochimica Acta, 2019, 293:40-46. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468618322503

    [5]

    BAI X, LIU Q, LIU J, et al. Hierarchical Co3O4@Ni(OH)2 core-shell nanosheet arrays for isolated all-solid state supercapacitor electrodes with superior electrochemical performance[J]. Chemical Engineering Journal, 2017, 315:35-45.

    [6]

    KIM D, KANNAN P K, MATETI S, et al. Indirect nanoconstruction morphology of Ni3S2 electrodes renovates the performance for electrochemical energy storage[J]. ACS Applied Energy Materials, 2018, 1:6945-6952. doi: 10.1021/acsaem.8b01310

    [7]

    ZHU Y, WANG F, ZHANG H, et al. PPy@NiCo2S4 nanosheets anchored on graphite foam with bicontinuous conductive network for high-areal capacitance and high-rate electrodes[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2018, 747:276-282. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838818308442

    [8]

    TRAN V C, SAHOO S, SHIM J J. Room-temperature synthesis of NiS hollow spheres on nickel foam for high-performance supercapacitor electrodes[J]. Materials Letters, 2018, 210:105-108. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167577X17313344

    [9]

    WANG N, HAN G Y, CHANG Y Z, et al. Preparing Ni3S2 composite with neural network-like structure for high-performance flexible asymmetric supercapacitors[J]. Electrochimica Acta, 2019, 317:322-332. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468619311387

    [10]

    LI S, WEN J, CHEN T, et al. In situ synthesis of 3D CoS nanoflake/Ni(OH)2 nanosheet nanocomposite structure as a candidate supercapacitor electrode[J]. Nanotechno-logy, 2016, 27:145401/1-9. http://europepmc.org/abstract/MED/26905933

    [11]

    CAO F, ZHAO M, YU Y, et al. Synthesis of two-dimensional CoS1.097/nitrogen-doped carbon nanocomposites using metal-organic framework nanosheets as precursors for supercapacitor application[J]. Journal of the American Chemical Society, 2016, 138:6924-6927.

    [12]

    SHI B B, SARAVANAKUMAR B, WEI W, et al. 3D honeycomb NiCo2S4@Ni(OH)2 nanosheets for flexible all-solid-state asymmetric supercapacitors with enhanced specific capacitance[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 790:693-702. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092583881931031X

    [13]

    LIU Y P, LI Z L, YAO L, et al. Confined growth of NiCo2S4 nanosheets on carbon flakes derived from eggplant with enhanced performance for asymmetric supercapacitors[J]. Chemical Engineering Journal, 2019, 366:550-559. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719303560

    [14]

    LI J, WANG S L, XIAO T, et al. Controllable preparation of nanoporous Ni3S2 films by sulfuration of nickel foam as promising asymmetric supercapacitor electrodes[J]. Applied Surface Science, 2017, 420:919-926. http://adsabs.harvard.edu/abs/2017ApSS..420..919L

    [15]

    KRISHNAMOORTHY K, VEERASUBRAMANI G K, RADH-AKRISHNAN S, et al. One pot hydrothermal growth of hierarchical nanostructured Ni3S2 on Ni foam for supercapacitor application[J]. Chemical Engineering Journal, 2014, 251:116-122. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894714004343

    [16]

    CHEN J S, GUAN C, GUI Y, et al. Rational design of self-supported Ni3S2 nanosheets array for advanced asymmetric supercapacitor with a superior energy density[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9:496-504. doi: 10.1021/acsami.6b14746

    [17] 赵少飞, 刘鹏, 李婉萍, 等.一步电沉积法制备硫化镍/泡沫镍材料及其赝电容性能研究[J].化工学报, 2020, 71(4):1836-1843. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HGSZ202004044.htm

    ZHAO S F, LIU P, LI W P, et al. One-step electrodeposition and pseudocapacitance properties of 3D Ni3S2 supported on Ni foam[J]. CIESC Journal, 2020, 71(4):1836-1843. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HGSZ202004044.htm

    [18]

    FENG N, HU D K, WANG P, et al. Growth of nanostructured nickel sulfide films on Ni foam as high-performance cathodes for lithium ion batteries[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, 15:9924-9930. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23673428

    [19]

    JIANG H, GUO Y, WANG T, et al. Electrochemical fabrication of Ni(OH)2/Ni 3D porous composite films as integrated capacitive electrodes[J]. RSC Advances, 2015, 5:12931-12936. http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2015/ra/c4ra15092a

    [20]

    LI Y J, YE K, CHENG K, et al. Electrodeposition of nickel sulfide on graphene-covered make-up cotton as a flexible electrode material for high-performance supercapacitors[J]. Journal of Power Sources, 2015, 274:943-950. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775314017753

  • 期刊类型引用(1)

    1. 张宏杰. 线性Caputo型分数阶三维动力系统解的空间结构及动力学行为. 滨州学院学报. 2024(02): 63-68 . 百度学术

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-29
  • 网络出版日期:  2021-01-04
  • 刊出日期:  2020-12-24

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