MnO 2 /煤基石墨烯纳米复合材料的制备及其电化学性能
发布时间：2021-11-21 09:50
以纯化的太西无烟煤粉为原料,采用催化石墨化及改良Hummers氧化技术制备煤基氧化石墨烯前驱体,将该前驱体与MnO2进行原位复合并利用等离子体技术还原制备MnO2/煤基石墨烯纳米复合材料。采用红外光谱、X射线衍射、扫描电镜和透射电镜等技术对煤基石墨烯及其复合材料进行表征,采用循环伏安法及恒流充放电法测试MnO2/煤基石墨烯纳米复合材料的电化学性能。结果表明,与煤基石墨烯相比,MnO2/煤基石墨烯纳米复合材料的比电容有显著提升,在1A/g电流密度下可达281.8 F/g,是煤基石墨烯比电容的3.48倍。
【文章来源】：新型炭材料. 2016,31(05)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
催化石墨化产物TXG的XＲD谱图
．09MPa)24h后，压片(压力10MPa，10min)制得电极。然后，将所制得的电极置于浓度为6mol/L的KOH溶液进行循环伏安测试和恒流充放电测试，测试电位窗口为－0．8～0．3V。3结果与讨论XＲD是研究炭材料石墨化程度有效的方法之一。图1是经催化石墨化处理的太西煤的XＲD谱图。由图1可见，在氯化铁及硼酸的催化作用下，经2500℃热处理，太西煤石墨化产物TXG的石墨化程度与天然石墨基本一致，其XＲD图谱与天然石墨(图1中插图)极为相似。图1催化石墨化产物TXG的XＲD谱图Fig．1XＲDpatternofgraphitizedTaixicoal(TXG)．图2是太西煤催化石墨化产物TXG、煤基氧化石墨烯CBGO及煤基石墨烯CBG(为煤基氧化石墨烯CBGO经H2等离子体还原产物)的红外光谱图。从图2可以看出，石墨化产物TXG在1620cm－1处出现一个吸收峰，这源于TXG中sp2晶体结构中的C?C键的伸缩振动峰。煤基氧化石墨烯CBGO则出现一系列新的红外吸收峰，如曲线b所示，3000～3700cm－1内出现一个较宽且较强的吸收峰，这是—OH官能团的伸缩振动峰;1720cm－1处的吸收峰源于氧化石墨上羧基中C?O的伸缩振动;1062cm－1处出现的吸收峰源于C—O—C键的振动吸收;869cm－1附近出现的吸收峰则为环氧基特征吸收峰。可以证明在本文实验条件下制备得到的煤基氧化石墨烯材料至少存在—OH、—COOH、—C?O、?CH(O)CH—4种含氧官能团。经H2等离子体还原后，其还原产物CBG在3000～3700cm－1范围内仅出现一个相对较弱较窄的吸收峰，这可能源于残留的少量未被还原的—OH官能团;在1620cm－1附近出现了C?C吸收峰，与TXG的图谱十分相似，说明煤基氧化石墨烯CBGO经H2等离子体还原处理后，其含氧官能团基本被还原。图2(a)催化石墨化煤TXG、(b)煤基氧化石?
化还原峰，这是由于MnO2在充放电的过程中发生了氧化还原反应，并且伴随着一些不可逆的氧化还原反应。其中，MnO2的赝电容原理为Mn(Ⅳ)与Mn(Ⅲ)可逆转化。随MnO2含量的增加，氧化还原峰减弱，甚至消失，这可能是由于MnO2颗粒的团聚导致MnO2与电解液的接触面积减少之缘故。因此，不可逆氧化还原反应在MnO2中占的比例减少，导致氧化还原峰减弱。这意味着，MnO2需要与石墨烯以适当的比例复合，这有助于提高电容器的容量，同时降低MnO2的损耗。图3CBG的(a)SEM和(b)TEM照片;MnO2/CBG复合材料的(c)SEM和(d)TEM照片Fig．3(a)SEMand(b)TEMimagesofCBG;(c)SEMand(d)TEMimagesofMnO2/CBGcomposites．图4MnO2/石墨烯复合材料的循环伏安图Fig．4Cyclicvoltammogramsoffourkindsofgraphenecompositesmadeatdifferentratios．图5中的恒流充放电曲线略偏离标准等腰三角形，在－0．5V左右出现了充放电平台，这是由于二氧化锰的赝电容行为。G1、G2、G3和G4的首次充放电比容量分别为283、338、215和169F/g。可见，当MnO2/石墨烯复合材料中石墨烯添加量为30%时，复合材料的电化学性能最佳。图5MnO2/石墨烯复合材料的恒流充放电曲线Fig．5Charge-dischargecurvesofMnO2/graphenecomposites．图6为CBG及MnO2/CBG复合材料(CBG添加量为30%，质量比)在1A/g电流密度下的恒流充放电曲线。由图6可得，CBG及MnO2/CBG复合材料首次充放电比容量分别为80．9F/g和281．8F/g，MnO2/CBG复合材料的比容量提高了3．48倍。·548·新型炭材料第31卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]以太西无烟煤为前驱体制备煤基石墨烯的研究[J]. 张亚婷,周安宁,张晓欠,邱介山. 煤炭转化. 2013(04)
[2]石墨烯基宏观体:制备、性质及潜在应用[J]. 张丽芳,魏伟,吕伟,邵姣婧,杜鸿达,杨全红. 新型炭材料. 2013(03)
[3]用于锂离子电池的石墨烯材料——储能特性及前景展望[J]. 智林杰,方岩,康飞宇. 新型炭材料. 2011(01)
本文编号：3509277
【文章来源】：新型炭材料. 2016,31(05)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
催化石墨化产物TXG的XＲD谱图
．09MPa)24h后，压片(压力10MPa，10min)制得电极。然后，将所制得的电极置于浓度为6mol/L的KOH溶液进行循环伏安测试和恒流充放电测试，测试电位窗口为－0．8～0．3V。3结果与讨论XＲD是研究炭材料石墨化程度有效的方法之一。图1是经催化石墨化处理的太西煤的XＲD谱图。由图1可见，在氯化铁及硼酸的催化作用下，经2500℃热处理，太西煤石墨化产物TXG的石墨化程度与天然石墨基本一致，其XＲD图谱与天然石墨(图1中插图)极为相似。图1催化石墨化产物TXG的XＲD谱图Fig．1XＲDpatternofgraphitizedTaixicoal(TXG)．图2是太西煤催化石墨化产物TXG、煤基氧化石墨烯CBGO及煤基石墨烯CBG(为煤基氧化石墨烯CBGO经H2等离子体还原产物)的红外光谱图。从图2可以看出，石墨化产物TXG在1620cm－1处出现一个吸收峰，这源于TXG中sp2晶体结构中的C?C键的伸缩振动峰。煤基氧化石墨烯CBGO则出现一系列新的红外吸收峰，如曲线b所示，3000～3700cm－1内出现一个较宽且较强的吸收峰，这是—OH官能团的伸缩振动峰;1720cm－1处的吸收峰源于氧化石墨上羧基中C?O的伸缩振动;1062cm－1处出现的吸收峰源于C—O—C键的振动吸收;869cm－1附近出现的吸收峰则为环氧基特征吸收峰。可以证明在本文实验条件下制备得到的煤基氧化石墨烯材料至少存在—OH、—COOH、—C?O、?CH(O)CH—4种含氧官能团。经H2等离子体还原后，其还原产物CBG在3000～3700cm－1范围内仅出现一个相对较弱较窄的吸收峰，这可能源于残留的少量未被还原的—OH官能团;在1620cm－1附近出现了C?C吸收峰，与TXG的图谱十分相似，说明煤基氧化石墨烯CBGO经H2等离子体还原处理后，其含氧官能团基本被还原。图2(a)催化石墨化煤TXG、(b)煤基氧化石?
化还原峰，这是由于MnO2在充放电的过程中发生了氧化还原反应，并且伴随着一些不可逆的氧化还原反应。其中，MnO2的赝电容原理为Mn(Ⅳ)与Mn(Ⅲ)可逆转化。随MnO2含量的增加，氧化还原峰减弱，甚至消失，这可能是由于MnO2颗粒的团聚导致MnO2与电解液的接触面积减少之缘故。因此，不可逆氧化还原反应在MnO2中占的比例减少，导致氧化还原峰减弱。这意味着，MnO2需要与石墨烯以适当的比例复合，这有助于提高电容器的容量，同时降低MnO2的损耗。图3CBG的(a)SEM和(b)TEM照片;MnO2/CBG复合材料的(c)SEM和(d)TEM照片Fig．3(a)SEMand(b)TEMimagesofCBG;(c)SEMand(d)TEMimagesofMnO2/CBGcomposites．图4MnO2/石墨烯复合材料的循环伏安图Fig．4Cyclicvoltammogramsoffourkindsofgraphenecompositesmadeatdifferentratios．图5中的恒流充放电曲线略偏离标准等腰三角形，在－0．5V左右出现了充放电平台，这是由于二氧化锰的赝电容行为。G1、G2、G3和G4的首次充放电比容量分别为283、338、215和169F/g。可见，当MnO2/石墨烯复合材料中石墨烯添加量为30%时，复合材料的电化学性能最佳。图5MnO2/石墨烯复合材料的恒流充放电曲线Fig．5Charge-dischargecurvesofMnO2/graphenecomposites．图6为CBG及MnO2/CBG复合材料(CBG添加量为30%，质量比)在1A/g电流密度下的恒流充放电曲线。由图6可得，CBG及MnO2/CBG复合材料首次充放电比容量分别为80．9F/g和281．8F/g，MnO2/CBG复合材料的比容量提高了3．48倍。·548·新型炭材料第31卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]以太西无烟煤为前驱体制备煤基石墨烯的研究[J]. 张亚婷,周安宁,张晓欠,邱介山. 煤炭转化. 2013(04)
[2]石墨烯基宏观体:制备、性质及潜在应用[J]. 张丽芳,魏伟,吕伟,邵姣婧,杜鸿达,杨全红. 新型炭材料. 2013(03)
[3]用于锂离子电池的石墨烯材料——储能特性及前景展望[J]. 智林杰,方岩,康飞宇. 新型炭材料. 2011(01)
本文编号：3509277
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