水热法制备铝掺杂二氧化锰及其储锌性能的研究
发布时间：2021-11-27 22:23
可充电水系锌锰电池成本低、环保无毒、安全性好,在大规模储能领域具有广阔应用前景。然而,该电池中不仅存在MnO2正极导电率低、结构稳定性差等问题,而且存在负极锌枝晶生长与析氢腐蚀问题,这严重制约了电池循环稳定性的提升。本文采用水热法制备了Al掺杂二氧化锰作为锌锰电池的高稳定性正极材料,并通过X射线衍射（XRD）、能量色散X射线光谱仪（EDS）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）详细讨论了Al掺杂对MnO2物相、形貌、含水量与电化学性能的影响。研究表明,Al掺杂不仅使样品由微米级β-MnO2转变为纳米级α-MnO2,还使产物中结晶水含量增加。作为锌锰电池正极材料,所制备的Al掺杂MnO2在1 A·g-1高电流密度下500次循环后剩余容量高达150.1 mAh·g-1,循环稳定性远优于未掺杂的MnO2样品(500次循环后容量为97.8 mAh·g-1)。本研究对高性能锌...
【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(04)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
实验样品的XRD图谱(a)、元素分布图(b)和热重曲线(c)
图2(b～d)是两个样品的X射线光电子能谱(XPS)。在两个样品的XPS全谱图中可以清楚地观测到Mn、O和C元素的XPS信号(图2(b))。其中,C元素是XPS检测时常见的表面污染元素,常被用作校准XPS光谱结合能的内部标准物(C 1s=284.6 eV)。对70～80 eV范围内的XPS谱放大后可以看到掺杂样品的Al 2p峰。这一结果可以印证Al元素掺杂进入了MnO2晶格当中。图2(c)是两个样品Mn 2p3/2轨道的XPS峰。这个XPS峰在低结合能处存在一个不太明显的肩峰,整体峰位和峰形与MnO2标准样的XPS峰特征非常相似[45]。并且,这两个样品的Mn 2p3/2和Mn 2p1/2峰之间的自旋分裂能在11.8～11.9 eV之间,表明样品中锰元素主要以Mn4+形式存在[46-47]。由图2(d)可进一步发现,样品的O 1s峰可以分为Mn-O-Mn (529～530 eV)、Mn-O-H (530～531 eV)和 H-O-H (532～533 eV)三部分[48]。Al掺杂后,样品中归属于Mn-O-H和H-O-H的O 1s峰强度增大,表明铝掺杂确实提高了样品中结晶水的含量。上述XPS测试结果与XRD、TG、FTIR测试结果一起,可以证明本文中水热法确实合成了Al掺杂MnO2材料。图3为典型样品的扫描和透射电镜照片(SEM和TEM)。由图3(a)可知,未掺杂样品由直径100～200 nm,长度500～2 500 nm的微米棒组成。Al掺杂以后,样品仍为棒状,但颗粒尺寸迅速减小(图3(b))。图3(c～d) 为掺杂样品的TEM照片和选区电子衍射斑(SAED,图3(c)中插图)。由TEM照片和SAED斑可知,掺杂样品由长度约20～200 nm,直径约4～40 nm的α-MnO2纳米棒组成,每根纳米棒均为沿[110]方向取向生长单晶。
图3为典型样品的扫描和透射电镜照片(SEM和TEM)。由图3(a)可知,未掺杂样品由直径100～200 nm,长度500～2 500 nm的微米棒组成。Al掺杂以后,样品仍为棒状,但颗粒尺寸迅速减小(图3(b))。图3(c～d) 为掺杂样品的TEM照片和选区电子衍射斑(SAED,图3(c)中插图)。由TEM照片和SAED斑可知,掺杂样品由长度约20～200 nm,直径约4～40 nm的α-MnO2纳米棒组成,每根纳米棒均为沿[110]方向取向生长单晶。图4为所得样品的氮吸附/脱附等温线和孔径分布曲线。根据国际理论与应用化学联合会(IUPAC)分类,两样品的等温线均属于IV型,说明样品中孔隙以介孔为主。从孔径分布曲线可知,样品孔径主要分布在<20 nm区域内,未掺杂和掺杂样品的平均孔径分别为8.2 nm和16.1 nm。Al掺杂以后样品比表面积(SBET)和孔体积(Vpore)由17.3 m2/g和0.03 cm3/g分别增加到56.6 m2/g和0.22 cm3/g。对于电化学反应来讲,高比表面积电极材料可以提供更多的氧化还原反应活性位点[49];电极中的介孔结构可以促进电解液向电极材料中快速渗透,两者均有利于提升电极材料的电化学反应速率与电极材料利用率[50]。
本文编号：3523159
【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(04)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
实验样品的XRD图谱(a)、元素分布图(b)和热重曲线(c)
图2(b～d)是两个样品的X射线光电子能谱(XPS)。在两个样品的XPS全谱图中可以清楚地观测到Mn、O和C元素的XPS信号(图2(b))。其中,C元素是XPS检测时常见的表面污染元素,常被用作校准XPS光谱结合能的内部标准物(C 1s=284.6 eV)。对70～80 eV范围内的XPS谱放大后可以看到掺杂样品的Al 2p峰。这一结果可以印证Al元素掺杂进入了MnO2晶格当中。图2(c)是两个样品Mn 2p3/2轨道的XPS峰。这个XPS峰在低结合能处存在一个不太明显的肩峰,整体峰位和峰形与MnO2标准样的XPS峰特征非常相似[45]。并且,这两个样品的Mn 2p3/2和Mn 2p1/2峰之间的自旋分裂能在11.8～11.9 eV之间,表明样品中锰元素主要以Mn4+形式存在[46-47]。由图2(d)可进一步发现,样品的O 1s峰可以分为Mn-O-Mn (529～530 eV)、Mn-O-H (530～531 eV)和 H-O-H (532～533 eV)三部分[48]。Al掺杂后,样品中归属于Mn-O-H和H-O-H的O 1s峰强度增大,表明铝掺杂确实提高了样品中结晶水的含量。上述XPS测试结果与XRD、TG、FTIR测试结果一起,可以证明本文中水热法确实合成了Al掺杂MnO2材料。图3为典型样品的扫描和透射电镜照片(SEM和TEM)。由图3(a)可知,未掺杂样品由直径100～200 nm,长度500～2 500 nm的微米棒组成。Al掺杂以后,样品仍为棒状,但颗粒尺寸迅速减小(图3(b))。图3(c～d) 为掺杂样品的TEM照片和选区电子衍射斑(SAED,图3(c)中插图)。由TEM照片和SAED斑可知,掺杂样品由长度约20～200 nm,直径约4～40 nm的α-MnO2纳米棒组成,每根纳米棒均为沿[110]方向取向生长单晶。
图3为典型样品的扫描和透射电镜照片(SEM和TEM)。由图3(a)可知,未掺杂样品由直径100～200 nm,长度500～2 500 nm的微米棒组成。Al掺杂以后,样品仍为棒状,但颗粒尺寸迅速减小(图3(b))。图3(c～d) 为掺杂样品的TEM照片和选区电子衍射斑(SAED,图3(c)中插图)。由TEM照片和SAED斑可知,掺杂样品由长度约20～200 nm,直径约4～40 nm的α-MnO2纳米棒组成,每根纳米棒均为沿[110]方向取向生长单晶。图4为所得样品的氮吸附/脱附等温线和孔径分布曲线。根据国际理论与应用化学联合会(IUPAC)分类,两样品的等温线均属于IV型,说明样品中孔隙以介孔为主。从孔径分布曲线可知,样品孔径主要分布在<20 nm区域内,未掺杂和掺杂样品的平均孔径分别为8.2 nm和16.1 nm。Al掺杂以后样品比表面积(SBET)和孔体积(Vpore)由17.3 m2/g和0.03 cm3/g分别增加到56.6 m2/g和0.22 cm3/g。对于电化学反应来讲,高比表面积电极材料可以提供更多的氧化还原反应活性位点[49];电极中的介孔结构可以促进电解液向电极材料中快速渗透,两者均有利于提升电极材料的电化学反应速率与电极材料利用率[50]。
本文编号：3523159
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