基于有机碳模板的MnO2空心结构的设计及电化学储能研究

摘要

超级电容器(ECs)主要通过极化电解质的方式存储能量，是一种新型的绿色能源存储设备，由于具有较高的能量密度和优良的循环性能（可循环使用10万次以上）等优势，使其在日益增长的能源需求和减轻生态环境压力等方面起到了重要的作用。通常而言，可作为超级电容器电极材料的过渡金属氧化物（如:MnO2、NiO、RuO2、Co3O4等）具有高于碳/石墨烯电极材料2到3倍的比电容，因此常常被人们视作具有研究价值的电极材料。在这些过渡金属氧化物中，由于MnO2在中性电解液中仍然可以拥有较大的电压窗口这相比于其他金属氧化物必须在强酸或强碱溶液中才能进行电化学反应具有巨大的优势，因此MnO2作为超级电容器的电极材料更加值得我们研究。模板法是合成二氧化锰众多手段中最简单的一种，但合成过程中大多需要加热或水热处理的方式。在常温下，人们利用胶体碳球为模板与高锰酸钾反应利用“牺牲模板法”的方式合成了比面积为66.17 m2g-1的较为均一的二氧化锰球壳，但是目前以其它有机物为模板常温合成的二氧化锰的研究尚少。本论文主要研究了在常温下RF树脂与ZIF-67分别与高锰酸钾溶液反应合成的二氧化锰材料的条件，并对这些材料的电化学性能进行了研究，主要内容如下:
　　1、利用原硅酸四乙酯(TEOS)、间苯二酚和甲醛的混合体系有序成核的原理合成SiO2@RF，用HF除去SiO2后得到RF树脂碗。通过是否水热固化处理RF树脂碗得到形貌为边缘凸凹不平和边缘光滑的两种RF树脂碗前驱，并采用“牺牲模板法”分别利用这两种前驱与高锰酸钾溶液反应合成了比表面积分别为34.4 m2g-1和52.4 m2g-1的中空二氧化锰纳米球与二氧化锰纳米碗。并对二氧化锰纳米碗进行200℃，300℃，400℃和500℃的不同温度的退火处理。对中空二氧化锰纳米球与二氧化锰纳米碗及不同退火温度处理的二氧化锰纳米碗进行电化学测试。通过测试发现整体而言二氧化锰纳米碗的电化学性能优于中空二氧化锰纳米球，对于二氧化锰纳米碗而言，经300℃退火处理后的电化学性能最好，在0.5 Ag-1电流密度下，比容量为254 Fg-1，在5Ag-1电流密度下经过3000次循环之后比容量依然可以保持92.8％。
　　2、利用六水合硝酸钴和2-甲基咪唑在活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的作用下通过配位的方式形成ZIF-67前驱。采用“牺牲模板法”，控制ZIF-67与高锰酸钾的质量比分别为1∶1，1∶3，1∶9和1∶16，使zif-67与高锰酸钾溶液在常温下反应形成二氧化锰纳米盒。并通过水浴和退火两种方式除去残留在这些二氧化锰纳米盒中的有机物，从而合成不同厚度的掺杂有N，C，Co元素的中空二氧化锰纳米盒。并对这些中空二氧化锰纳米盒的电化学性能进行了测试，发现无论采取水浴还是退火的方式除去有机物，中空二氧化锰纳米盒的性能在ZIF-67与高锰酸钾的反应质量比为1∶16时电化学性能最好，并且退火处理形成的中空二氧化锰纳米盒的电化学性能优于水浴处理后形成的中空二氧化锰纳米盒。当反应物质量比为1∶16时经水浴处理和退火处理得到的中空纳米盒的比表面积分别为126.39 m2g-1和98.86m2g-1，在1 Ag-1电流密度下它们的比容量分别为110.1 Fg-1和137.6 Fg-1，在5Ag-1电流密度下经过3000次循环之后比容量依然可以分别保持93.2％和91.2％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超级电容器

1．2．1 超级电容器的发展

1．2．2 超级电容器的分类

1．2．3 超级电容器的工作原理

1．3 二氧化锰

1．3．1 二氧化锰的晶体结构

1．3．2 二氧化锰的储能机理

1．3．3 二氧化锰的制备方法

1．3．4 二氧化锰超级电容器的研究现状

1．4 常用的电化学测试方法

1．4．1 循环伏安测试

1．4．2 计时电位测试

1．4．3 交流阻抗测试

1．4．4 循环稳定性测试

1．5 本课题的选题思想及研究内容

第二章 基于RF树脂碗的中空二氧化锰纳米材料的制备及其电化学性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂和仪器

2．2．2 实验原理

2．2．3 实验过程

2．3 材料表征与分析

2．3．2 RF-1与不同质量高锰酸钾反应对产物的影响

2．3．3 RF-1与高锰酸钾反应不同时间对产物的影响

2．3．4 水热固化处理前驱对产物的影响

2．3．5 不同退火温度对产物的影响

2．4 基于RF树脂的中空二氧化锰纳米材料的电化学性能研究

2．4．1 电极片的制备

2．4．2 电化学性能分析

2．5 本章小节

第三章 基于ZIF-67的中空二氧化锰纳米盒的制备及其电化学性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂和仪器

3．2．2 材料的制备

3．3 材料表征与分析

3．3．1 ZIF-67作为前驱体的形貌分析

3．3．2 反应不同时间对产物的影响

3．3．3 反应物的不同配比对产物的影响

3．3．4 反应物在不同配比反应后水浴处理对产物的影响

3．3．5 反应物在不同配比反应后退火处理对产物的影响

3．4 基于ZIF-67的中空二氧化锰纳米盒的电化学性能研究

3．4．1 电极片的制备

3．4．2 电化学性能研究

3．5 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 工作总结

4．2 展望

参考文献

致谢