基于超级电容器用的纳米二氧化锰的制备及性能研究

发布时间：2017-10-04 22:14

  本文关键词：基于超级电容器用的纳米二氧化锰的制备及性能研究

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【摘要】：超级电容器以其高功率密度、长使用寿命和快充放电速度等优点被广泛用于混合电动汽车和便携式电子设备,已成为近年来的研究热点。二氧化锰因具有高的理论比电容(1370 Fg-1)、资源丰富、价格低廉、环境友好等优点引起了人们的广泛关注,并被认为是最具发展潜力的超级电容器用过渡金属氧化物。本文主要采用水热合成法制备一系列纳米二氧化锰电极材料。采用SEM、 XRD、BET、循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗等方法对所制备材料的结构和电化学性能进行了表征。主要研究内容如下所示：1.以KMnO4为锰源,以MnSO4为还原剂,在不使用任何表面活性剂的前提下,采用水热合成法通过改变反应物浓度可控合成了多枝状和长度可控的纳米棒等不同形貌的α-MnO2。研究了反应物浓度和反应时间对产物的晶体结构和形貌的影响。采用循环伏安法和恒电流充放电测试对多枝状α-MnO2进行电化学性能测试,在1 M的Na2SO4溶液中,电流密度为2Ag-1时,多枝状α-MnO2的比电容为182 F g-1,该电极材料同时具有良好的倍率性能和循环稳定性。2.通过高锰酸钾和硫酸锰在水热合成的条件下反应制备了沉积在石墨棒上的α-MnO2薄膜电极。研究结果表明α-MnO2纳米棒均匀的沉积在石墨棒上。这些纳米棒相互连接而形成的多孔纳米结构有利于电解液渗透到材料内部、可提供快速的电子传输通道和缩短电子和离子在二氧化锰中的扩散距离。电化学性能测试表明,α-MnO2纳米棒薄膜电极材料具有良好的倍率性能和循环稳定性,在2Ag-1的电流密度下循环2000次后,容量的衰减仅为2%,在1 M的Na2SO4溶液中,电流密度为1 Ag-1时,该电极材料的比电容为229 F g-1。3.采用水热合成法制备了生长在碳纸上的多孔二氧化锰纳米线网状结构的薄膜电极(α-MnO2/CFP)作为集流体的高导电性的CFP网状结构可以为快速的氧化还原反应提供理想的电子传输通道。CFP导电基体和α-MnO2的纳米线网状结构的协同作用能够有效的释放由于电解液中阳离子的可逆嵌入和脱出所产生的应力。电流密度为1 Ag-1时,α-MnO2/CFP电极的比电容高达251 F g-,该电极同时具有良好的倍率性能和循环稳定性。在4A g-1的电流密度下循环3000次后,多孔α-MnO2/CFP电极的初始电容保持率为98.9%。4.通过水热合成法制备了掺铜的δ-MnO2纳米片薄膜电极,并研究了铜的掺杂浓度对复合材料的结构、形貌和电化学性能的影响。铜的掺杂不仅增强了电极材料的导电性,同时促进了花状纳米结构的形成。同时我们可以通过改变铜的掺杂浓度可控合成不同形貌和电化学性能的δ-Mn02薄膜电极。结果显示,优化的铜掺杂浓度为2 at%的δ-MnO2薄膜比电容最大,在电流密度为1A g-1时其电容值为296 F g-1,比未掺杂的δ-MnO2薄膜的比电容增加了80%,同时比未掺杂的δ-MnO2薄膜具有较好的循环稳定性能。
【关键词】：超级电容器 二氧化锰 电极 电化学性能
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O614.711;TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-50
• 1.1 引言14-15
• 1.2 超级电容器的结构和工作原理15-17
• 1.2.1 双电层电容器16-17
• 1.2.2 法拉第电容器17
• 1.3 电解液17-19
• 1.4 超级电容器电极材料研究进展19-26
• 1.4.1 碳基材料的研究进展20-23
• 1.4.2 导电聚合物材料23-24
• 1.4.3 金属氧化物24-26
• 1.5 MnO_2电极材料的研究26-35
• 1.5.1 二氧化锰的晶体结构27-28
• 1.5.2 二氧化锰粉末电极材料28-30
• 1.5.3 二氧化锰薄膜电极材料30-32
• 1.5.4 二氧化锰电极材料的改性32-35
• 1.5.4.1 二氧化锰复合金属氧化物32-33
• 1.5.4.2 二氧化锰/碳复合材料33-34
• 1.5.4.3 二氧化锰/导电聚合物复合电极材料34-35
• 1.6 论文的构思与主要内容35-36
• 参考文献36-50
• 第二章 实验部分50-57
• 2.1 实验试剂50
• 2.2 实验仪器50-51
• 2.3 样品表征方法51-53
• 2.3.1 X射线衍射仪(XRD)51
• 2.3.2 扫描电子显微(SEM)分析技术51-52
• 2.3.3 透射电子显微镜(TEM)分析52
• 2.3.4 拉曼分析(Roman)52
• 2.3.5 热重分析(TG)52
• 2.3.6 电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)52-53
• 2.3.7 比表面积分析(BET)53
• 2.4 电化学测试技术53-57
• 2.4.1 二氧化锰电极制备53-54
• 2.4.2 电化学测试的实验装置54
• 2.4.3 循环伏安测试(CV)54-55
• 2.4.4 恒电流充放电测试55
• 2.4.5 交流阻抗测试(EIS)55-56
• 2.4.6 循环稳定性测试56-57
• 第三章 多枝状α-MnO_2的制备及其电容性能研究57-75
• 3.1 引言57-58
• 3.2 实验部分58-59
• 3.2.1 多枝状α-Mn0_2的制备58-59
• 3.2.2 电极的制备59
• 3.3 结果与讨论59-73
• 3.3.1 MnO_2结构表征及形貌分析59-69
• 3.3.2 枝状α-MnO_2电化学性能测试69-73
• 3.4 结论73
• 参考文献73-75
• 第四章 水热合成法制备超级电容器用二氧化锰纳米棒薄膜电极75-86
• 4.1 引言75-76
• 4.2 α-MnO_2纳米棒薄膜电极的制备76
• 4.3 结果与讨论76-84
• 4.3.1 α-MnO_2纳米棒薄膜结构表征及形貌分析76-80
• 4.3.2 α-MnO_2纳米棒薄膜电极电化学性能测试80-84
• 4.4 结论84
• 参考文献84-86
• 第五章 α-MnO_2纳米线薄膜电极的制备及其电容性能研究86-104
• 5.1 引言86-88
• 5.2 α-MnO_2/CFP薄膜电极的制备88
• 5.3 结果和讨论88-99
• 5.3.1 α-MnO_2/CFP结构表征及形貌分析88-92
• 5.3.2 α-MnO_2/CFP电化学性能测试92-99
• 5.4 结论99-100
• 参考文献100-104
• 第六章 二氧化锰电极材料的改性及电容性能研究104-125
• 6.1 引言104-105
• 6.2 铝掺杂二氧化锰电极材料的制备及电化学性能研究105-107
• 6.2.1 铝掺杂二氧化锰电极材料的制备105
• 6.2.2 循环伏安法测试105-107
• 6.3 锌掺杂二氧化锰电极材料的制备及电化学性能研究107-108
• 6.3.1 锌掺杂二氧化锰电极材料的制备107
• 6.3.2 循环伏安法测试107-108
• 6.4 铜掺杂二氧化锰电极材料的制备及电化学性能研究108-122
• 6.4.1 铜掺杂二氧化锰电极材料的制备108
• 6.4.2 循环伏安法测试108-110
• 6.4.3 铜掺杂二氧化锰薄膜电极结构表征及形貌分析110-116
• 6.4.4 铜掺杂二氧化锰薄膜电极的电化学性能研究116-122
• 6.5 结论122-123
• 参考文献123-125
• 第七章 结论125-127
• 博士期间发表论文127-129
• 致谢129

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本文编号：973158