二氧化錳及其復(fù)合材料超電容行為研究.pdf

1、手兩要在當(dāng)今社會(huì)，能源需求不斷上升，新型儲(chǔ)能元件的研究刻不容緩。超級(jí)電容器作為一種性能介于電池與傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能器件，在諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，電極材料是影響超級(jí)電容器性能的關(guān)鍵因素。二氧化錳(Mn02)電化學(xué)性能優(yōu)良，在超級(jí)電容器電極材料的研究中備受關(guān)注。但是，納米Mn02單獨(dú)作為超級(jí)電容器電極材料時(shí)，存在明顯的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致材料利用率、能量密度較低。針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)將MnO：與其他電極材料如導(dǎo)電聚合物、金屬氧

2、化物及碳材料復(fù)合，進(jìn)而提高材料的電容性能，是本論文的研究主旨。本論文通過(guò)液相共沉淀法、一步化學(xué)氧化法和水熱合成法分別制備了Mn02、PoPD／Mn02和Mn02／Ce02材料。在Mn02、PoPD／Mn02制備過(guò)程中分別加入表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)、聚環(huán)氧乙烷聚環(huán)氧丙烷聚環(huán)氧乙烷(P123)，通過(guò)表面活性劑作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑或軟模板來(lái)改善Mn02、PoPD／Mn02的形貌、粒徑及分散性，進(jìn)而提高了材料的超電容性能。其次，利用稀土金

3、屬氧化物Ce02良好的可逆氧化還原反應(yīng)特性和Mn02優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性和電容保持率，制備了電容性能更為理想的MnOz／Ce02二元復(fù)合金屬氧化物電極材料。主要得出以下結(jié)論：(1)SDS輔助條件下，通過(guò)液相共沉淀法制備Mn02，考察了SDSJJ[1入量對(duì)Mn02結(jié)構(gòu)及電容性能的影響規(guī)律與作用機(jī)理。結(jié)果表明：獲得的Mn02為典型的無(wú)定型IxMn02。SDS加入量對(duì)Mn02的形貌、分散性及顆粒粒徑存在明顯的影響。最佳SDS力I]入量02g(O0

4、17molL。1)條件下制備的樣品MnO2具有最大的BET比表面積(品ET)2559m2g一，最佳的顆粒分散性和最小的粒徑(50—80rim)，在500mA岔1電流密度下(下同)具有最大的比電容(Cs。)1545Fg～，與無(wú)SDS條件下制備的樣品Mn0相比，cs。提高了約50％，Mn一02倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性明顯提高，等效串聯(lián)電阻餌。)大幅度降低，僅僅0120Q。(2)在P123輔助條件下一步化學(xué)氧化法制備7“PoPD／Mn02復(fù)合材料

5、。結(jié)果表明：合成的PoPD／Mn02均為無(wú)定形弱晶相結(jié)構(gòu)。P123能有效地調(diào)控PoPD／Mn02的形貌、粒徑和分散性。在P123最佳加入量08g(00035mol—L‘1)下制備的樣品PoPD／Mn02—08具有最佳的孔結(jié)構(gòu)和電容性能：瑋ET1232m2g。1和G。2924Fg～，遠(yuǎn)高于未加P123的樣品nPoPD／Mn02—0(47。2m2g～矛1162。1Fg‘1)，倍率特性、循環(huán)穩(wěn)定性得到提高，風(fēng)、電荷轉(zhuǎn)移電N(Rct)和擴(kuò)散阻抗

6、(Z0)出現(xiàn)明顯降低。(3)采用水熱合成法制備分層次多孔納米Mn02／Ce02。結(jié)果表明，Mn02／Ce02分別為0[一Mn02和螢石型Ce02，合成的樣品結(jié)晶性良好，顆粒狀的Ce02均勻負(fù)載于Mn02納米棒上，樣品尺寸明顯降低，團(tuán)聚現(xiàn)象顯著改善。Mn02／Ce02的風(fēng)ET高于原先單一組分，由單一組分的富微孔材料變化為典型的分層次富介孔材料。其中，樣品Mn02／Ce02—1的SETAbstractHIWiththeincreasingd

7、emandforenergyofmodemsocietytheresearchofnewtypechargestorageelementsallowsofnodelaySupercapacitors，akindofuniqueenergystoragedevicefillingthegapbetweenconventionaldielectriccapacitorsandbatteries，havebroadapplicationpro

8、spectsinmanyfieldsThereinto，electrodematerialisvitaltochargestorageperformanceManganesedioxide(Mn02)withexcellentcapacitanceperformancereceivesmuchconcerninthestudyofelectrodematerialsHoweverHalloMn02particlesarepronetoa

9、ggregate，resultinginlowutilizationratioandenergydensitySo，combiningMn02withotherkindofelectrodematerials，suchasconductingpolymers，metaloxidesandcarbonmaterials，hasbecomearesearchhotspotInthispaperMn02anditsbinarycomposit

10、esPoPD／Mn02andMnOflCe02waspreparedbyliquidCO—precipitation，onestepchemicaloxidationmethodandhydrothermalsynthesis，respectivelyInordertoimproveelectrodematerialsenergydensity，surfactantsodiumdodecylsulfate(SDS)andpolyethy

11、leneoxidepolypropyleneoxidepolyethyleneoxide(P123)，thestructuredirectingagents，wereemployedtocontrolMn02andPoPD／Mn02morphologypariclesizeanddispersityrespectively，thustoincreasethecapacitanceperformanceAvarietyofcharacte

12、rationmethodswereusedtoconfirmtheoptimaladditionamountandtovarifythepossiblemechanismOncapacitancebehaviorfromsurfantantsThen，couplingtheindividualadvantage，thereversibleredoxpropertiesfromrareearthoxideCe02andexcellentc

13、yclestabilityandcapacitanceretentionfromMn02，wegotbinarycompositemetaloxideelectrodematerialsMn02／Ce02withpreferablecapacitanceperformanceWesystematicallyinvestigatedtheeffectofCe02contentonthecapacitanceperformanceInadd

14、ition，thematerialstructure，morphologyandspecificsurfaceareaaremeasuredbyXrayabsorptionnealc—edgespectroscopy(XANES)，infraredspectroscopy(FT1R)，X—raydiffraction(XRD)，scanningelectronmicroscopy(SEM)，transmissionelectronmic

15、roscopy(TEM)，X—rayspectroscopy(EDS)，N2adsorptionandSOonTheelectrochemicalpropertiessuchascapacitanceperformance，ratecapability，powercharacteristics，cyclestability，impedanceofMn02anditscompositeelectrodematerialswerealsot

16、estedbycyclicvoltammetry(CⅥ，constantcurrentchargeanddischarge(GCD)andACimpedance(EIS)Themainconclusionsareasfollows：(1)WiththeassistanceofSDS，Mn02WaspreparedbyliquidcoprecipitationTheinfluencelawandmechanismofSDSaddition