氧化锰基纳米复合电极材料的制备及其电容特性研究

摘要

随着人们生活水平的提高，人们对能源的需求也越来越大，不可再生资源日益枯竭，必然会爆发能源危机，新能源的开发和利用是解决能源危机的有效途径。新能源的开发与利用明显离不开能量的存储，作为高效环保的储能元件，超级电容器成为近年来研究的热点。
　　超级电容器是兼具高比容量和比功率的高效储能元件，电极材料的优劣直接影响到超级电容器的性能。开发性能优良、环保价廉的电极材料是超级电容器发展的方向，当前超级电容器电极材料还存在生产成本高，性能较差的弊端。针对这一点，本文采用微波水热法，研究了纳米氧化锰和纳米氧化锰复合电极材料的制备，并对样品进行表征和电容特性的测试。
　　采用微波水热法，以KMnO4为原料，制备了多种形貌（花球状、空心管、棒状）的纳米MnO2。氧化锰首先生长成由薄片聚集成的花球状δ-MnO2，随着时间推移，薄片卷曲成空管状并从大颗粒中脱落，然后继续在空管内部结晶，生长成实心方棒状的一维α-MnO2。通过将MnO2粉体和作为粘结剂的PEG4000以及作为导电剂的碳粉混合后涂敷在泡沫镍集流体上制备成电极，并进行电容特性测试。结果表明:125℃下保温1h制备的包含花球状和一维管状形貌的样品在5mWs的扫描速率下比电容最大为199.65F/g。但是随着扫描速率的增大，比电容衰减较快，扫描速率增大到50mV/s时，比电容只保留原来的16％。而125℃下保温2h制备的一维管状的样品在扫描速率为5mV/s下比电容为163.99 F/g，扫描速率增大到50mV/s，比电容仍能保持原来的45％。
　　通过微波水热法制备了活性碳纤维布负载纳米氧化锰的复合电极材料，通过改变反应温度和保温时间以及KMnO4浓度，合成出具有不同形貌的的复合材料并对其进行电容测试。结果表明，0.005mol/L KMnO4与ACFC在70℃下保温1h制备的复合材料为类似草坪的δ-MnO2生长在碳纤维表面，厚度为100～200nm，δ-MnO2呈草叶状，叶片厚10nm左右，负载量为2.85mg/cm2。在1mol/L的Na2SO4水溶液中，电势窗口为-0.4～1.5V(vs SCE)，扫描速率为5mV/s下，当反应温度为70℃，反应时间为0.25h，高锰酸钾浓度为0.01 mol/L，加入2片大小为3cm×3cm的活性碳纤维布时，复合电极的比电容最大，为57.08 F/g，且电极内阻较小。
　　通过微波辐照，利用尿素的还原性，还原氧化石墨烯，添加0.90g尿素在95℃保温150min可以将15ml浓度为0.25mg/ml氧化石墨烯(GO)完全还原为透明度较高、完整性较好的石墨烯。通过微波水热法合成了石墨烯与氧化锰的复合材料，将复合材料与作为导电剂的碳纳米管以及作为PEG4000作为粘结剂混后涂覆在碳纤维纸上干燥后得到电极。将干燥后的电极作为工作电极，采用三电极系统，测试复合材料的CV曲线以及交流阻抗。结果表明:电极在扫描速率为5mV/s的情况下，测得的电极材料的比电容最大为281F/g;随着扫描速率的增加其比电容逐渐变小，但扫描速率为50mV/s时，复合材料的比电容仍保留原来的40.6％，为114F/g。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 超级电容器简介

1．2 超级电容器电极材料

1．2．1 碳材料在超级电容器中的应用

1．2．2 过渡金属氧化物在超级电容器中的应用

1．2．3 导电聚合物在超级电容器中的应用

1．2．4 复合材料在超级电容器中的应用

1．3 纳米氧化锰用于超级电容器的研究

1．3．1 氧化锰的结构

1．3．2 氧化锰的应用

1．3．3 纳米氧化锰的制备方法

1．4 纳米氧化锰基电极材料的制备

1．5 论文设计思路和研究内容

1．5．1 论文设计思路

1．5．2 论文研究内容

第二章 电极材料制备与表征

2．1 实验原料与仪器

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器

2．2 纳米氧化锰的制备

2．3 氧化锰与活性碳纤维布复合电极制备

2．4 氧化锰与石墨烯复合电极材料制备

2．4．1 还原氧化石墨烯的制备

2．4．2 氧化锰与还原氧化石墨烯复合材料制备

2．5 样品的表征与测试

2．5．1 X射线衍射分析

2．5．2 形貌分析

2．5．3 比表面积分析

2．5．4 电容特性测试

第三章 纳米氧化锰微波水热合成及其电容特性测试

3．1 纳米氧化锰的XRD分析

3．2 纳米氧化锰SEM分析

3．3 纳米氧化锰的比电容测试分析

3．3．1 循环伏安曲线分析

3．3．2 不同扫描速率对比电容的影响

3．4 纳米氧化锰交流阻抗分析

3．5 本章小结

第四章 氧化锰与活性碳纤维布复合材料制备及其电容特性

4．1 碳纤维布与活性碳纤维布的比较

4．2 氧化锰与活性碳纤维布复合材料的XRD分析

4．3 复合材料的形貌及负载量分析

4．3．1 复合材料SEM分析

4．3．2 负载量变化

4．4 复合材料电极的电容特性分析

4．4．1 循环伏安曲线

4．4．2 交流阻抗

4．5 本章小结

第五章 氧化锰／石墨烯／MCNT复合材料制备及其电容特性

5．1 微波水热还原氧化石墨烯

5．1．1 微波水热时间对氧化石墨烯还原的影响

5．1．2 尿素添加量对氧化石墨烯还原的影响

5．1．3 还原氧化石墨烯的SEM表征

5．2 氧化锰／石墨烯／MCNT复合材料形貌表征

5．2．1 还原氧化石墨烯与碳纳米管SEM分析

5．2．2 氧化锰／石墨烯／MCNT复合材料SEM和EDS分析

5．3 氧化锰／石墨烯／MCNT复合材料的电容特性

5．3．1 循环伏安曲线

5．3．2 交流阻抗谱

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

附录