碳电极功能化处理及纳米二氧化锰电化学沉积

摘要

二氧化锰(MnO2)是一种重要的氧化物，其储量丰富、价格低廉、对环境友好，具有放电窗口宽、比容量大等显著优点，是很有潜力的超级电容器电极材料。电极集流体对电极材料充分发挥性能至关重要。本文在H2SO4溶液中对碳布集流体(Carbon Cloth，CC)进行功能化处理。首先利用电位下限为0V(vs.SCE)的循环伏安(CV)扫描电化学处理CC，制备了功能化碳布(Functional Carbon Cloth，FCC)，研究了CV扫描电位上限对碳布功能化的影响。然后负移电位下限，在电位上限为2.5V的范围内CV扫描，电化学处理CC，制备了还原功能化碳布(Reduced Functional Carbon Cloth，RFCC)，研究了CV扫描电位下限对碳布功能化的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、接触角测试测试(Contact angle)和CV测试等手段研究了功能化处理对碳电极形貌、亲水性和电化学性能的影响，发现功能化对形貌无明显影响，但可显著改善电极的亲水性和电化学性能。
　　以RFCC为电极基底，进行了纳米二氧化锰的电化学沉积，研究了溶液组成对二氧化锰电化学沉积的影响，制备了MnO2/RFCC和N-MnO2/RFCC。通过SEM、X射线衍射(XRD)研究MnO2/RFCC和N-MnO2/RFCC的形貌和晶型。发现在还原功能化处理的碳布表面沉积的二氧化锰以纳米粒子形式存在，电化学沉积体系加入(NH4)2SO4有助于减小纳米粒子的尺寸。在含0.125MMnSO4的0.25MNaAc溶液及含0.125M MnSO4和0.125M(NH4)2SO4的0.25MNaAc混合溶液中，CC、FCC和RFCC上沉积的二氧化锰均以具有1×1和2×2隧道结构的α-MnO2的形式存在。采用CV、恒电流充放电(CP)研究了二氧化锰的电容性能。在1A/g的电流密度下，N-MnO2/RFCC的比电容达450F/g，而MnO2/RFCC、N-MnO2/CC和MnO2/CC的比电容仪为345.5、323.5和273.3F/g。当电流密度由1A/g扩大20倍，增至20A/g时，N-MnO2/RFCC的比电容仍可维持在304.3F/g。此外，比之MnO2/RFCC，电化学沉积体系加入(NH4)2SO4制备的N-MnO2/RFCC充放电稳定性也得到一定提高。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 超级电容器

1．1．1 超级电容器概述

1．1．2 超级电容器的工作原理及结构

1．1．3 国内外研究进展及应用现状

1．2 超级电容器电极材料的研究进展

1．2．1 碳材料

1．2．2 金属氧化物材料

1．2．3 导电聚合物材料

1．2．4 复合电极材料

1．3 二氧化锰电极材料

1．3．1 二氧化锰电极材料的储能机理

1．3．2 二氧化锰的晶体结构

1．3．3 二氧化锰电极材料的制备方法

1．4 本论文研究工作

第2章 实验部分

2．1 实验仪器

2．2 化学试剂

2．3 实验步骤

2．3．1 碳布基底的功能化

2．3．2 纳米二氧化锰电化学沉积

2．3．3 溶液组成对纳米二氧化锰电化学沉积的影响

2．3．4 表征

2．3．5 电化学性能研究

2．3．6 倍率性能测试

2．3．7 循环充放电寿命测试

第3章 结果与讨论

3．1 碳布的功能化

3．1．1 循环伏安扫描电位上限对碳布功能化的影响

3．1．2 循环伏安扫描电位下限对碳布功能化的影响

3．1．3 小结

3．2 纳米二氧化锰电化学沉积

3．2．1 结构分析

3．2．2 形貌分析

3．2．3 电化学性能研究

3．2．4 小结

3．3 溶液组成对二氧化锰纳米粒子电沉积的影响

3．3．1 结构分析

3．3．2 样品的形貌分析

3．3．3 电化学性能研究

3．3．4 小结

第4章 结论

参考文献

致谢