氧化锰基纳米材料的绿色合成及其作为超级电容器电极材料的应用

摘要

二氧化钌（RuO2）等贵金属氧化物由于其优异的电化学性能被成功应用于超级电容器电极材料。但是昂贵的成本和有毒的特性限制了它的广泛应用。因此人们致力于研究开发其它廉价金属氧化物，如氧化镍，氧化钴，氧化锰等，作为更为优异，性价比较高的超级电容器电极材料。其中氧化锰以其成本低廉，绿色无污染，较高的理论比电容，较宽的工作电位窗口等优点，有望成为替代二氧化钌的过渡金属氧化物。锰元素在自然界中储量丰富，且具有多种氧化态（MnO2， Mn2O3，Mn3O4等）。但是，二氧化锰（MnO2）导电性差，循环稳定性低，严重影响了它的电容性能。研究者们期望通过添加导电性良好的碳材料来改变二氧化锰（MnO2）的导电性。四氧化三锰（Mn3O4）则是在常温下只有专一结构的黑锰矿，受到研究者关注。氧化锰制备方法多样，但是多数都会受到高温高压的限制，制备条件苛刻，难以大量生产。因此，本文探索研究采用低温、简便的方法制备二氧化锰和四氧化三锰及其复合材料，采用IR，XRD，SEM等技术手段对合成材料的结构和形貌进行了表征，考查了它们的电容性能。具体内容如下：
　　第一章：简要介绍了超级电容器的构造，储能原理及其特点，对超级电容器电极材料的制备方法和研究进展进行了系统的综述。
　　第二章：以氧化石墨烯为原料，高锰酸钾为锰源，乙二醇为还原剂，采用水热法，在80℃还原制备得到了二氧化锰纳米颗粒/还原石墨烯及四氧化三锰纳米颗粒/还原石墨烯复合材料。在 Mn和C的摩尔比为1:0.8时复合材料的电容性能最佳，当电流密度为1A/g时，比电容值为184F/g。结构分析表明，复合材料中接近无定型结构的MnO2纳米颗粒均匀分散于石墨烯表面，这种结构有利于电解液的扩散,提高电极材料的比电容。
　　第三章：以高锰酸钾为锰源，乙二醇为还原剂，十二烷基磺酸钠为结构调控剂，采用水热法制备得到MnO2纳米片材料。结构分析表明该纳米材料为比表面积较大的分散纳米片，为结晶度程度较低的无定型结构。电化学测试表明，当电流密度为1A/g时，比电容为184F/g，电流密度升高，比电容保持率较高，说明材料有很好的倍率性能。当电流密度为5A/g时，循环充放电1600圈，比电容没有发生衰减，说明材料具有良好的循环稳定性。
　　第四章：以高锰酸钾为锰源，葡萄糖为还原剂，分别采用水热法和微波辅助方法制备得到了不同形貌的Mn3O4纳米材料。微波辅助法合成的Mn3O4呈均匀分布的八面体纳米块状，结晶度高于水热法合成的Mn3O4。水热法制备的Mn3O4为单分散的纳米棒和无特定纳米块混合结构。电化学测试表明水热法制备得到的纳米棒和纳米块混合形貌的Mn3O4具有更好的电化学特性，比电容高于微波辅助合成的Mn3O4。

目录

封面

声明

西北师范大学研究生学位论文作者信息

目录

中文摘要

英文摘要

第1章 绪论

1.1引言

1.2 超级电容器概述

1.2.1 超级电容器的组成

1.2.2 超级电容器的分类

1.3 超级电容器的特点及用途

1.3.1 超级电容器的特点

1.3.2 超级电容器的用途

1.4 超级电容器电极材料研究进展

1.4.1 碳材料

1.4.2 导电聚合物

1.4.3 过渡金属氧化物

1.5 论文选题思路及研究内容

1.5.1 选题思路

1.5.2 研究内容

第2章 水热法合成MnO2/石墨烯复合材料及其电容性质的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 化学试剂与仪器

2.2.2 MnOx/rGO复合材料的制备

2.2.3 样品的表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 复合材料的结构与形貌

2.3.2 电化学性能

2.1 本章小结

第3章 温和条件下水热法合成MnO2纳米片及其电容性质的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 化学试剂与仪器

3.2.2 二氧化锰的制备

3.2.3 材料表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 纳米材料的结构与形貌

3.3.2 电化学性能研究

3.1 本章小结

第4章 微波辅助与水热法合成形貌可控的Mn3O4纳米材料及其电容性质的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 四氧化三锰纳米材料的制备

4.2.3 样品表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 四氧化三锰的结构与形貌

4.3.2 电化学性能

4.4 本章小结

参考文献

致谢