海绵状三维二氧化锰及复合材料的简易合成及超级电容器的研究

发布时间：2017-10-21 18:20

  本文关键词：海绵状三维二氧化锰及复合材料的简易合成及超级电容器的研究

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【摘要】：超级电容器是二十世纪年代末出现的一种新型储能元件,其储能性质介于传统静电电容器和化学电源之间,具有功率密度高、充电时间短、大电流工作特性好、寿命长、低温性能优于蓄电池等特点,被成为绿色能源。目前用于超级电容器的电极材料主要有碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物等,其中过渡金属氧化物超级电容器是被广泛研究,但目前尚处于实验室开发阶段。MnO2作为一种重要的电极材料之一,具有价格低廉、比表面积大、来源广泛、对环境友好、电化学性能稳定等优点。但二氧化锰是拥有多种晶型的半导体材料,晶型差异往往带来电容性能差异,且二氧化锰较低的导电性也制约着其发展。本文以三维多孔三氧化二铝为模板,成功制得具有三维立体结构的二氧化锰及其与碳的复合材料。通过XRD、SEM、TEM、循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗等方法对所制材料的结构和电化学性能进行表征。首先利用溶胶凝胶法合成具有多孔结构的海绵状多孔氧化铝,然后通过复制氧化铝模板制备出具有三维结构的二氧化锰。主要研究了模板的制备条件和二氧化锰的生成条件改变对合成材料的结构和电化学性能的影响。通过透射电镜(TEM)显示,在不同的模板的制备条件和二氧化锰的生成条件下制得的二氧化锰都是由无数纳米线相互交织而成,类似海绵状,孔结构发达。经电化学性能测试,在氯化锰浓度为0.02mol/L时,两种模板制备出的二氧化锰都具有良好的电化学性能和高比容量,在1mol/LNa2SO4电解液中,扫速为2mV/s时,它们的比电容分别达到了215.3F·g-1和205.5F.g-1,且二氧化锰的比电容值随着氯化锰的浓度增加呈降低的趋势,当氯化锰浓度达到1mol/L时,它们的比电容量只有202F.g-1和193.5F·g-1,引起这一变化的主要原因是,氯化锰浓度的增加导致,二氧化锰的比表面积和导电性能下降,从而引起比电容下降。为了进一步提高二氧化锰超级电容器的电化学性能,在成功合成三维二氧化锰的基础上,我们制备出二氧化锰碳的复合材料。与单一的二氧化锰电极相比,复合材料电极大大的提高了二氧化锰的电容和导电性。1mol/LNa2SO4电解液中,扫速为2mV/s时,用浓度为0.02mol/L氯化锰制备出的复合材料的比电容分别达到了290.5 F·g’和274.1 F·g’同样,随着反应物氯化锰的浓度增加,二氧化锰与碳复合材料的比表面积和导电性能下降,故复合材料的比电容呈降低的趋势,当氯化锰浓度达到1mol/L时,它们的比电容量只有227.4F·g1和210.4F-g1。多次循环伏安测试结果表明,在氯化锰浓度为0.02mol/L时,两种模板制备出的二氧化锰及其复合材料制备成的电极,在扫速为5mV/s时,经过1000次伏安循环测试,复合材料表现出了更好的循环稳定性,二氧化锰电极材料的比电容保持率只有91%,而复合材料的比电容保持率达到了97%以上。以上数据证明复合材料具有高的比电容和良好的循环稳定性,适合用作超级电容器的活性材料。
【关键词】：超级电容器 三维多孔二氧化锰 三维多孔碳
【学位授予单位】：上海应用技术学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ137.12;TB33;TM53
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-20
• 1 引言11
• 2 超级电容器的概述11-14
• 2.1 超级电容器的简介11
• 2.2 超级电容器的工作原理11-13
• 2.3 超级电容器的特点13-14
• 2.4 超级电容器的用途14
• 2.4.1 超级电容器在电子产品中的使用14
• 2.4.2 超级电容器在民用领域的使用14
• 2.4.3 超级电容器在军用领域的使用14
• 3 超级电容器的电极材料14-16
• 3.1 碳材料15
• 3.2 金属氧化物15-16
• 3.3 导电聚合物16
• 3.4 复合材料16
• 4 二氧化锰材料的研究进展16-18
• 4.1 二氧化锰的储能机理17-18
• 4.2 二氧化锰的制备方法18
• 5 论文的工作思路及主要研究内容18-20
• 第二章 实验材料与研究方法20-24
• 1 实验药品与设备20-21
• 1.1 实验药品20
• 1.2 实验设备20-21
• 2 电极的制备21
• 2.1 泡沫镍网的预处理21
• 2.2 电极的制备21
• 3 电极材料的表征21-22
• 3.1 X射线衍射(XRD)21-22
• 3.2 扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)22
• 3.3 BET比表面积和孔径分布测试22
• 3.4 热重分析22
• 4 电极电化学测试22-24
• 4.1 循环伏安22-23
• 4.2 恒电流充放电23
• 4.3 交流阻抗测试23-24
• 第三章 海绵状三维二氧化锰的制备及其电化学性能研究24-42
• 1 引言24
• 2 海绵状三维二氧化锰的制备24-25
• 2.1 多孔三氧化二铝模板的合成24
• 2.2 海绵状三维二氧化锰的制备24-25
• 3 模板的合成工艺对二氧化锰的结构、形貌和电化学性能的影响25-32
• 3.1 模板的合成工艺对二氧化锰的结构的影响25-27
• 3.2 模板的合成工艺对二氧化锰的表面形貌的影响27-30
• 3.3 模板的合成工艺对二氧化锰的电化学性能影响30-32
• 3.3.1 循环伏安测试(CV)30-31
• 3.3.2 恒电流充放电31-32
• 4 生成条件对二氧化锰的结构和电化学性能的影响32-41
• 4.1 生成条件对二氧化锰的结构的影响32-33
• 4.2 生成条件对二氧化锰的表面形貌的影响33-36
• 4.3 生成条件对二氧化锰的电化学性能影响36-41
• 4.3.1 循环伏安测试(Cv)36-38
• 4.3.2 恒电流充放电测试38-40
• 4.3.3 交流阻抗测试(EIS)40
• 4.3.4 寿命测试40-41
• 5 小结41-42
• 第四章 海绵状三维二氧化锰/碳复合物的制备及其电化学性能研究42-61
• 1 引言42
• 2 海绵状三维二氧化锰/碳的复合材料的制备42-43
• 3 载体的合成工艺对二氧化锰复合材料的结构、表面形貌和电化学性能的影响43-49
• 3.1 载体的合成工艺对二氧化锰复合材料的结构的影响43-45
• 3.2 载体的合成工艺对二氧化锰复合材料的表面形貌影响45-47
• 3.3 载体的合成工艺对二氧化锰/碳复合材料的电化学性能影响47-49
• 3.3.1 循环伏安测试47-48
• 3.3.2 恒电流充放电测试48-49
• 3.3.3 交流阻抗测试(EIS)49
• 4 生成条件对二氧化锰/碳复合材料的形貌、组成和电化学性能的影响49-60
• 4.1 生成条件对二氧化锰/碳复合材料的结构的影响49-51
• 4.2 生成条件对二氧化锰/碳复合材料的形貌的影响51-54
• 4.3 生成条件对二氧化锰/碳复合材料的组成的影响54
• 4.4 电化学性能测试54-60
• 4.4.1 循环伏安测试(CV)55-57
• 4.4.2 恒电流充放电57-58
• 4.4.3 交流阻抗测试(EIS)58-59
• 4.4.4 寿命测试59-60
• 5 小结60-61
• 第五章 结论61-63
• 参考文献63-68
• 致谢68-69
• 攻读学位期间所发表的学术论文69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：1074689