MnO2/H-TiO2纳米异质阵列的可控构筑及其超电容特性研究

摘要

超级电容器是一种新型高效的储能器件，电极材料是决定其超电容特性的关键，如何利用微纳技术可控制备高性能的电极材料成为进一步发展超级电容器的重要途径。本文旨在采用阳极氧化工艺可控制备高度有序、大比表面积、管与管相互分离的TiO2纳米管阵列(TiO2 NTAs)基体材料;进而对晶化退火后的TiO2NTAs实施电化学氢化和纳米管内外表面高比电容MnO2沉积的双重功能化改性，调控构筑MnO2/H-TiO2纳米异质阵列薄膜电极材料;不仅拓展了有序TiO2 NTAs的应用范围，而且为基于有序纳米材料超级电容器电极材料的研究提供理论基础和技术支撑。本文主要研究结果如下:
　　(1)采用阳极氧化工艺调控制备高度有序、管与管相互分离的TiO2 NTAs，进而利用简易、绿色的电化学氢化法对晶化退火后的TiO2 NTAs薄膜实施氢化改性，提高TiO2 NTAs薄膜的电容特性和电化学性能。研究了氢化工艺参数对目标H-TiO2NTAs电极材料的电化学特性和电容特性的影响规律以及其电容特性提高机理。结果表明:在0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中，恒压4V反应20 min时所得H-TiO2 NTAs在电流密度为0.2 mA·cm-2时的面积电容达到7.5 mF·cm-2，是相同电流密度下TiO2NTAs(0.1 mF·cm-2)的75倍。
　　(2)采用循环浸渍法在H-TiO2纳米管内、外表面可控负载高比电容量MnO2纳米颗粒，调控构筑一种新型的MnO2/H-TiO2纳米异质阵列薄膜电极材料。研究循环浸渍次数对目标MnO2/H-TiO2微结构、超电容特性的影响规律。结果表明:经过2个浸渍循环后所得的MnO2/H-TiO2 NTAs-2在电流密度为1 A·g-1时的比电容可达523.90 F·g-1，且在电流密度为5 A·g-1时循环充放电1000圈后比电容仅下降约11％。
　　(3)利用恒电流阳极电沉积方法实现高比电容纳米MnO2在H-TiO2纳米管内、外表面的均匀负载，调控制备MnO2/H-TiO2纳米复合阵列电极材料。研究不同沉积时间对MnO2/H-TiO2 NTAs结构、超电容特性的影响规律。结果表明:随着沉积时间的增加MnO2纳米颗粒数量逐渐增多，颗粒尺寸逐渐增大，当沉积时间为4 min时，MnO2纳米颗粒均匀负载在自上而下的整个管壁，并具有最好的电化学性能，其在电流密度为1 A·g-1时比电容可达650.0 F·g-1，且在电流密度为5 A·g-1时循环充放电1000圈后比电容仅下降约9％。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 有序TiO2纳米管阵列及其氢化改性

1．2．1 氢气热处理

1．2．2 氢等离子体

1．2．3 化学还原和氧化

1．2．4 电化学还原

1．3 H-TiO2 NTAs电容特性提高的机理

1．4 MnO2基复合电极材料的研究现状

1．4．1 MnO2材料的电荷储存机理

1．4．2 MnO2基复合电极材料的制备方法

1．5 本课题研究内容与意义

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究意义

第二章 实验药品与设备

2．1 实验设备及仪器

2．2 实验材料与试剂

2．3 样品的表征

2．4 电化学性能测试

第三章 电化学氢化法制备H-TiO2 NTAs及其表征与性能测试

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．2 H-TiO2 NTAs的制备

3．3 结果与讨论

3．3．2 2H-TiO2 NTAs的XRD分析

3．3．3 2H-TiO2 NTAs的Raman分析

3．3．4 XH-TiO2 NTAs的超电容特性分析

3．4 本章小结

第四章 循环浸渍法制备MnO2／H-TiO2及其表征与性能测试

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．3 循环浸渍法制备MnO2／H-TiO2 NTAs

4．3 结果与讨论

4．3．2 MnO2／H-TiO2 NTAs-2的HRTEM分析

4．3．3 不同循环浸渍次数MnO2／H-TiO2 NTAs的XRD分析

4．3．4 MnO2／H-TiO2 NTAs-2的Raman分析

4．3．5 MnO2／H-TiO2 NTAs-2的XPS分析

4．3．6 不同循环浸渍次数MnO2／H-TiO2 NTAs的超电容特性分析

4．4 本章小结

第五章 恒电流阳极电沉积法制备MnO2／H-Ti02及其表征与性能测试

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3．1 不同沉积时间MnO2／H-TiO2 NTAs的FESEM分析

5．3．2 MnO2/H-TiO2 NTAs-4min的HRTEM分析

5．3．3 不同沉积时间MnO2／H-TiO2 NTAs的XRD分析

5．3．4 MnO2/H-TiO2 NTAs-4min的Raman分析

5．3．5 MnO2／H-TiO2 NTAs-4min的XPS分析

5．3．6 不同沉积时间MnO2／H-TiO2 NTAs的超电容特性分析

5．4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况