三维纳米网状Mn基氧化物的孔径及其电化学性能研究

摘要

针对MnO2存在导电性差、真实比容低、离子传导性差等问题，本文开发了新的制备方法和掺杂改性工艺，制备出了三维纳米网状结构的Mn基氧化物。本论文采用阳极电沉积的方法制备具有三维纳米网状结构的MnO2和MnVFe氧化物，并系统研究了工艺参数、元素掺杂等因素对锰基氧化物纳米结构及性能的影响，并利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、能谱仪(EDS)等检测技术及电化学测试方法对锰基氧化物的结构和性能进行了表征。
　　研究表明，采用恒电流脉冲电沉积制备三维多孔MnO2材料，电流密度和通断比各为0.435 mA/cm2、7:1和0.87 mA/cm2、10:1时，都能获得由纳米线自组装成的三维网状，孔径约40 nm；电流密度和通断比为0.435 mA/cm2、10:1时，可获得近乎垂直于基底的相互交织的开放式纳米片薄膜；电流密度和通断比为0.87 mA/cm2、15:1时，形成了细小密集纳米片，并互相交织形成三维多孔结构，孔径约200nm。采用恒电位脉冲电沉积制备三维多孔MnO2材料，通断比都为3:1，沉积电位0.9 V时，制备的薄膜形成了由直径约50 nm、长度约200 nm的纳米线自组装成的三维孔结构；沉积电位1V时，制备的薄膜表面及截面均为三维网状结构。阳极电沉积电流密度为5~200 mA·cm2时，形成由直径约3~80 nm、长径比约5~10的纳米线自组装成的三维纳米网状结构，网孔分布均匀。
　　重点考察电流密度、NaVO3浓度、NH4Fe(SO4)2浓度和PH值四个因素，设计正交实验，采用阳极电沉积法制备的MnVFe氧化物基本都具有三维纳米网状结构，孔径约3～80 nm，具有典型的γ-MnO2晶体相结构。根据正交试验结果选出了4种具有不同网孔孔径的MnVFe氧化物，孔径分布范围分别为3~10 nm、15~40 nm、40~60 nm和60~80 nm，研究了扫描速度对不同孔径MnVFe氧化物电容性能的影响。扫描速率为0.5mV/s时，不同孔径各自的比容量分别为450.91 F/g、398.55 F/g、289.15 F/g和253.17 F/g；充放电速率为0.2A/g时，不同孔径各自的比容量分别为475.25 F/g、428.5 F/g、328.75 F/g和312.86 F/g。扫描速率由0.5mV/s增大至200 mV/s时，4种不同孔径的MnVFe氧化物的比电容保持率分别35％、54%、60.2%和36.7%；充放电速率由0.5 A/g增大至5 A/g时，4种不同孔径的MnVFe氧化物的比电容保持率分别69%、81%、86%和72%。与未掺杂的MnO2相比，MnVFe氧化物细小的三维纳米网状结构极大增加了电极的导电性，其比容量提高36%。在不同浓度的Na2SO4电解液中，扫描速率为1A/g时，MnVFe氧化物的比电容在浓度为0.5 mol/L时最大，可达253.4 F/g。

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第一章 绪论

1.1超级电容器简介

1.1.1超级电容器的分类及储能机理

1.1.2超级电容器的特点和应用

1.1.3超级电容器的研究现状及发展前景

1.2掺杂改性MnO2的研究现状及制备方法

1.2.1掺杂改性MnO2纳米材料的研究现状

1.2.2 掺杂改性MnO2纳米材料的制备方法

1.3阳极电沉积法及阳极电沉积MnO2的机理

1.3.1 阳极电沉积法

1.3.2阳极电沉积MnO2的机理

1.4 论文选题的目的、意义和研究内容

1.4.1 目的和意义

1.4.2 研究内容

1.4.3 创新点

第二章 实验内容及方法

2.1 实验材料及仪器

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验主要仪器

2.2 实验内容

2.2.1三维网状纳米MnO2的制备工艺

2.2.2 三维纳米网状MnVFe氧化物沉积溶液的配比

2.2.3 三维网状纳米结构锰系氧化物电极的制备

2.2.3电极结构与性能测试

2.3相关数据的计算方法

第三章 三维纳米多孔MnO2薄膜的研究

3.1 恒电流法制备的MnO2微观形貌分析

3.2 恒电位法制备的MnO2微观形貌分析

3.3本章小结

第四章 三维纳米网状MnVFe氧化物形貌及性能的研究

4.1 网孔状纳米结构MnVFe氧化物的结构与形貌表征

4.1.1 MnVFe氧化物的XRD分析

4.1.2 MnVFe氧化物的表面和截面形貌

4.2 沉积电流密度及正交试验工艺对MnVFe氧化物形貌的影响

4.2.1 阳极电流密度对MnVFe氧化物薄膜形貌的影响

4.2.2 正交实验工艺对MnVFe氧化物的表面形貌的影响

4.3 阳极电沉积温度对MnVFe氧化物形貌及性能的影响

4.3.1 阳极电沉积温度对MnVFe氧化物形貌的影响

4.3.2阳极电沉积温度对MnVFe氧化物的电化学性能的影响

4.4不同网孔孔径MnVFe氧化物的形貌及性能的研究

4.4.1 不同网孔孔径MnVFe氧化物的表面形貌及成分

4.4.2不同网孔孔径MnVFe氧化物的电化学性能的研究

4.5 MnO2和MnVFe氧化物结构与性能的对比研究

4.5.1 MnO2和MnVFe氧化物结构的对比研究

4.5.2 MnO2与MnVFe氧化物电化学性能的对比研究

4.5.3电解液浓度对MnVFe氧化物电容性能的影响

4.6 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

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