超级电容器电极材料——氧化锰纳米材料的合成及其电化学行为研究

摘要

随着全球经济的发展，传统能源（煤炭、石油）的消耗殆尽，且这些化石燃料不充分利用导致的大量有害气体释放，对全球的环境及人类的健康造成了巨大的威胁，使得越来越多的研究者们将焦点集中于储能装置的改进与利用。近年来超级电容器成为人们关注的焦点，因其拥有卓越的性能。以二氧化钌为代表的贵金属电极材料具有卓越的电化学性能，但是它们的高昂成本和毒性限制了它们的广泛应用。锰氧化物具有较高的理论比电容值，储量较为丰富，成本低廉，无毒，而且存在形式多样，成为新一代电极材料的研究热点。本文使用操作简便的化学方法合成了几种纳米锰氧化物及其复合物，通过红外光谱（FT-IR）、X-射线衍射（XRD）以及扫描电镜（SEM）等技术对合成的材料进行了形貌及结构表征，考察了它们的电化学行为。
　　第一部分：对超级电容器的储能机理、组成及分类做了系统的介绍，简要评述了当下电极材料的研究进展。
　　第二部分：以硝酸锰和高锰酸钾为锰源，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为结构导向剂，可溶性淀粉作为保护剂，室温下制备了类米花球状二氧化锰纳米颗粒，并将其应用于超级电容器电极材料，显示出了良好的电化学性能。在电流密度为0.5A g-1时，比电容值达到了235.2F g-1，电流密度增大10倍后，比电容保持率为67％，而且在10A g-1的大电流密度下循环3000圈，比电容值下降18%，表现出了较高的循环稳定性。
　　第三部分：为了进一步提高MnO2的电化学性能，将其与高锰酸钾氧化的多壁碳纳米管复合，制备了MnO2/MWCNTs复合材料。结构分析表明，复合材料保持了MnO2的类米花球状形貌，但是分散性更好，结构更加疏松，同时伴随有均匀分布的碳纳米管。电化学研究表明，复合材料与单纯的MnO2相比具有更加优异的电容性能。在0.5A g-1的电流密度下，复合材料的比电容达到了327.67F g-1，比单独的二氧化锰纳米颗粒提高了39%。在8A g-1的较大电流密度下，循环测试3000圈，比电容值保持率为86.36%，库伦效率保持在100%。
　　第四部分：以硝酸锰为锰源，碳酸钠为沉淀剂，十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，分别采用微乳液法和缓解扩散法合成了不同形貌的碳酸锰前驱体。将前驱体在相同温度下进行煅烧，得到立方相的纳米Mn2O3颗粒。结构分析表明，用缓慢扩散法制得的Mn2O3颗粒结构更加致密，结晶程度更高，而微乳液法制得的Mn2O3为由纳米颗粒聚集而成的空心多孔微米球，分散性更好。电化学测试结果表明，微乳液法合成的Mn2O3颗粒表现出更加优异的电化学性能。

目录

声明

西北师范大学研究生学位论文作者信息

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器

1.3 超级电容器的电极材料

1.4 论文选题思路与研究内容

第2章 类米花球状二氧化锰纳米材料的合成及其电容性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第3章 二氧化锰/多壁碳纳米管复合材料的制备及其电容性能的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第4章 微乳液法与缓慢扩散法合成三氧化二锰电极材料及其电容性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4小结

参考文献

硕士期间发表论文目录

致谢