二氧化锰纳米复合材料的制备及超级电容器的性能研究

发布时间：2017-09-27 15:43

  本文关键词：二氧化锰纳米复合材料的制备及超级电容器的性能研究

  更多相关文章： 超级电容器 二氧化锰 ATO 氧化铜 纳米复合材料 电化学性能

【摘要】：化石能源(煤、石油和天然气)的过度消耗所引起的全球性能源危机,使得人类越来越意识到新能源开发和利用的重要性。超级电容器作为一种新型能量储存装置,具有高的功率密度、良好的可逆性、较宽的工作温度范围以及长久的循环寿命等诸多优点,引起广大研究者们的广泛关注。电极材料是影响超级电容器电化学性能的主要因素,所以对电极材料的研究也具有重要的意义。金属氧化物具有极好的可逆性、较高的能量密度和比电容,因而被广泛用作超级电容器的电极材料。两种或两种以上的金属氧化物复合而成的纳米复合材料通常由于协同效应而比单一的金属氧化物具有更优异的性能,是现在超级电容器研究的一个重点和热点。本文通过X射线衍射仪(XRD)、聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB/SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及比表面积测试仪(BET)等测试分析手段对所制备的活性物质进行形貌特征、晶体结构和孔结构的分析。并采用循环伏安法、恒电流充放电法和交流阻抗法对样品的电化学性能进行研究。本文首先采用水热法制备出掺锑二氧化锡(ATO)纳米颗粒,然后将ATO与MnO2复合,使得ATO镶嵌到MnO2纳米片中,形成包覆结构。利用ATO优异的导电性来弥补MnO2导电性差的不足来提高MnO2在充放电过程中的利用率是本文的一个主要思想。并通过调配锑的不同掺杂量来得到电化学性能最大时的最优配比,最终得到锑掺量为7.5%(Sb:Sn摩尔比为7.5:100)时的ATO/MnO2的纳米复合材料具有最大的比电容为186.8 F/g,比单一的ATO(1.4 F/g)和商品MnO2(14.5F/g)的比电容要高出很多,同时也具有良好的循环稳定性,展示出其良好的应用前景。其次采用TOAB为表面活性剂利用常温液相法制备出蒲公英状CuO空心球结构,再以蒲公英状空心球结构的CuO为模板来负载MnO2。从刚开始的反应2 h长在CuO表面的MnO2颗粒到反应6 h颗粒长大变成MnO2薄片,一直到最后24 h时变成MnO2纳米片自组装纳米花。通过XRD,SEM等技术手段对复合纳米材料的化学组成、晶体结构以及微观形貌进行了测试,并推测了蒲公英状CuO空心球结构和CuO/MnO2核壳结构的可能形成机理。在三电极体系下,复合之后的CuO/MnO2核壳结构的比电容(228 F/g)比单纯的蒲公英状CuO空心结构(10 F/g)提高约20倍,而且具有优异的循环稳定性(在电流密度为0.6 A/g下,5000次循环后还可以保留原来的82.2%),显示出该材料作为超级电容器的巨大前景。复合材料一般会存在协同效应而比单一的材料具有更优异的性能,本论文采用该思路合成了ATO/MnO2和CuO/MnO2纳米复合材料,为深入研究和开发新颖微观结构的纳米复合材料提供了可靠思路。同时,制备出的纳米复合材料显示了优异的电化学性能,是作为超级电容器电极材料的优选材料。
【关键词】：超级电容器 二氧化锰 ATO 氧化铜 纳米复合材料 电化学性能
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM53
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-25
• 1.1 超级电容器概述9-14
• 1.1.1 超级电容器的发展历程10-11
• 1.1.2 超级电容器的特点及应用11-14
• 1.2 超级电容器的结构和工作原理14-17
• 1.2.1 超级电容器的结构14-15
• 1.2.2 超级电容器的工作原理15-17
• 1.3 超级电容器电极材料的研究进展17-21
• 1.3.1 碳电极材料17-19
• 1.3.2 导电聚合物电极材料19-20
• 1.3.3 金属氧化物电极材料20-21
• 1.4 纳米MnO_2电极材料21-23
• 1.4.1 纳米MnO_2的性质21-22
• 1.4.2 纳米MnO_2的制备方法22-23
• 1.4.3 纳米MnO_2电极材料的缺点及改进方法23
• 1.5 本论文研究的目的、意义和内容23-25
• 1.5.1 研究的目的和意义23-24
• 1.5.2 本论文的研究内容24-25
• 2 实验材料与研究方法25-30
• 2.1 实验材料与仪器25-26
• 2.1.1 实验材料与试剂25
• 2.1.2 实验仪器25-26
• 2.2 材料表征26-27
• 2.2.1 X射线衍射分析（XRD）26
• 2.2.2 聚焦离子束扫描电子显微镜分析（FIB/SEM）26-27
• 2.2.3 透射电镜分析（TEM）27
• 2.2.4 氮吸附比表面积测试（BET）27
• 2.3 电化学性能测试27-30
• 2.3.1 三电极测试体系的电极制备27-29
• 2.3.2 循环伏安测试29
• 2.3.3 恒电流充放电测试29
• 2.3.4 交流阻抗测试29-30
• 3 ATO/MnO_2纳米复合材料的制备及电化学性能研究30-39
• 3.1 实验部分30-32
• 3.1.1 ATO纳米材料的制备30-31
• 3.1.2 ATO/MnO_2纳米复合材料的制备31
• 3.1.3 电极的制备及电化学性能测试31-32
• 3.2 结果与讨论32-38
• 3.2.1 ATO/MnO_2纳米复合材料的结构表征32-35
• 3.2.2 ATO/MnO_2纳米复合材料的电化学性能测试35-38
• 3.3 本章小结38-39
• 4 CuO/MnO_2核壳结构的制备及电化学性能研究39-50
• 4.1 实验部分39-41
• 4.1.1 蒲公英状CuO纳米材料的制备39-40
• 4.1.2 CuO/MnO_2核壳结构的制备40
• 4.1.3 电极的制备及电化学性能测试40-41
• 4.2 结果与讨论41-48
• 4.2.1 CuO/MnO_2核壳结构的结构表征41-45
• 4.2.2 CuO/MnO_2核壳结构的电化学性能测试45-48
• 4.3 本章小结48-50
• 5 结论与展望50-52
• 5.1 结论50-51
• 5.2 展望51-52
• 致谢52-53
• 参考文献53-61
• 附录61
• A 攻读硕士期间发表的论文61
• B 攻读硕士期间所获奖项61

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本文编号：930552