本文關(guān)鍵詞：海綿狀三維二氧化錳及復(fù)合材料的簡易合成及超級電容器的研究

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【摘要】：超級電容器是二十世紀(jì)年代末出現(xiàn)的一種新型儲(chǔ)能元件,其儲(chǔ)能性質(zhì)介于傳統(tǒng)靜電電容器和化學(xué)電源之間,具有功率密度高、充電時(shí)間短、大電流工作特性好、壽命長、低溫性能優(yōu)于蓄電池等特點(diǎn),被成為綠色能源。目前用于超級電容器的電極材料主要有碳材料、過渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物等,其中過渡金屬氧化物超級電容器是被廣泛研究,但目前尚處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段。MnO2作為一種重要的電極材料之一,具有價(jià)格低廉、比表面積大、來源廣泛、對環(huán)境友好、電化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但二氧化錳是擁有多種晶型的半導(dǎo)體材料,晶型差異往往帶來電容性能差異,且二氧化錳較低的導(dǎo)電性也制約著其發(fā)展。本文以三維多孔三氧化二鋁為模板,成功制得具有三維立體結(jié)構(gòu)的二氧化錳及其與碳的復(fù)合材料。通過XRD、SEM、TEM、循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗等方法對所制材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能進(jìn)行表征。首先利用溶膠凝膠法合成具有多孔結(jié)構(gòu)的海綿狀多孔氧化鋁,然后通過復(fù)制氧化鋁模板制備出具有三維結(jié)構(gòu)的二氧化錳。主要研究了模板的制備條件和二氧化錳的生成條件改變對合成材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。通過透射電鏡(TEM)顯示,在不同的模板的制備條件和二氧化錳的生成條件下制得的二氧化錳都是由無數(shù)納米線相互交織而成,類似海綿狀,孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)。經(jīng)電化學(xué)性能測試,在氯化錳濃度為0.02mol/L時(shí),兩種模板制備出的二氧化錳都具有良好的電化學(xué)性能和高比容量,在1mol/LNa2SO4電解液中,掃速為2mV/s時(shí),它們的比電容分別達(dá)到了215.3F·g-1和205.5F.g-1,且二氧化錳的比電容值隨著氯化錳的濃度增加呈降低的趨勢,當(dāng)氯化錳濃度達(dá)到1mol/L時(shí),它們的比電容量只有202F.g-1和193.5F·g-1,引起這一變化的主要原因是,氯化錳濃度的增加導(dǎo)致,二氧化錳的比表面積和導(dǎo)電性能下降,從而引起比電容下降。為了進(jìn)一步提高二氧化錳超級電容器的電化學(xué)性能,在成功合成三維二氧化錳的基礎(chǔ)上,我們制備出二氧化錳碳的復(fù)合材料。與單一的二氧化錳電極相比,復(fù)合材料電極大大的提高了二氧化錳的電容和導(dǎo)電性。1mol/LNa2SO4電解液中,掃速為2mV/s時(shí),用濃度為0.02mol/L氯化錳制備出的復(fù)合材料的比電容分別達(dá)到了290.5 F·g’和274.1 F·g’同樣,隨著反應(yīng)物氯化錳的濃度增加,二氧化錳與碳復(fù)合材料的比表面積和導(dǎo)電性能下降,故復(fù)合材料的比電容呈降低的趨勢,當(dāng)氯化錳濃度達(dá)到1mol/L時(shí),它們的比電容量只有227.4F·g1和210.4F-g1。多次循環(huán)伏安測試結(jié)果表明,在氯化錳濃度為0.02mol/L時(shí),兩種模板制備出的二氧化錳及其復(fù)合材料制備成的電極,在掃速為5mV/s時(shí),經(jīng)過1000次伏安循環(huán)測試,復(fù)合材料表現(xiàn)出了更好的循環(huán)穩(wěn)定性,二氧化錳電極材料的比電容保持率只有91%,而復(fù)合材料的比電容保持率達(dá)到了97%以上。以上數(shù)據(jù)證明復(fù)合材料具有高的比電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性,適合用作超級電容器的活性材料。
【關(guān)鍵詞】：超級電容器 三維多孔二氧化錳 三維多孔碳
【學(xué)位授予單位】：上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ137.12;TB33;TM53
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-20
• 1 引言11
• 2 超級電容器的概述11-14
• 2.1 超級電容器的簡介11
• 2.2 超級電容器的工作原理11-13
• 2.3 超級電容器的特點(diǎn)13-14
• 2.4 超級電容器的用途14
• 2.4.1 超級電容器在電子產(chǎn)品中的使用14
• 2.4.2 超級電容器在民用領(lǐng)域的使用14
• 2.4.3 超級電容器在軍用領(lǐng)域的使用14
• 3 超級電容器的電極材料14-16
• 3.1 碳材料15
• 3.2 金屬氧化物15-16
• 3.3 導(dǎo)電聚合物16
• 3.4 復(fù)合材料16
• 4 二氧化錳材料的研究進(jìn)展16-18
• 4.1 二氧化錳的儲(chǔ)能機(jī)理17-18
• 4.2 二氧化錳的制備方法18
• 5 論文的工作思路及主要研究內(nèi)容18-20
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法20-24
• 1 實(shí)驗(yàn)藥品與設(shè)備20-21
• 1.1 實(shí)驗(yàn)藥品20
• 1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備20-21
• 2 電極的制備21
• 2.1 泡沫鎳網(wǎng)的預(yù)處理21
• 2.2 電極的制備21
• 3 電極材料的表征21-22
• 3.1 X射線衍射(XRD)21-22
• 3.2 掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)22
• 3.3 BET比表面積和孔徑分布測試22
• 3.4 熱重分析22
• 4 電極電化學(xué)測試22-24
• 4.1 循環(huán)伏安22-23
• 4.2 恒電流充放電23
• 4.3 交流阻抗測試23-24
• 第三章 海綿狀三維二氧化錳的制備及其電化學(xué)性能研究24-42
• 1 引言24
• 2 海綿狀三維二氧化錳的制備24-25
• 2.1 多孔三氧化二鋁模板的合成24
• 2.2 海綿狀三維二氧化錳的制備24-25
• 3 模板的合成工藝對二氧化錳的結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)性能的影響25-32
• 3.1 模板的合成工藝對二氧化錳的結(jié)構(gòu)的影響25-27
• 3.2 模板的合成工藝對二氧化錳的表面形貌的影響27-30
• 3.3 模板的合成工藝對二氧化錳的電化學(xué)性能影響30-32
• 3.3.1 循環(huán)伏安測試(CV)30-31
• 3.3.2 恒電流充放電31-32
• 4 生成條件對二氧化錳的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響32-41
• 4.1 生成條件對二氧化錳的結(jié)構(gòu)的影響32-33
• 4.2 生成條件對二氧化錳的表面形貌的影響33-36
• 4.3 生成條件對二氧化錳的電化學(xué)性能影響36-41
• 4.3.1 循環(huán)伏安測試(Cv)36-38
• 4.3.2 恒電流充放電測試38-40
• 4.3.3 交流阻抗測試(EIS)40
• 4.3.4 壽命測試40-41
• 5 小結(jié)41-42
• 第四章 海綿狀三維二氧化錳/碳復(fù)合物的制備及其電化學(xué)性能研究42-61
• 1 引言42
• 2 海綿狀三維二氧化錳/碳的復(fù)合材料的制備42-43
• 3 載體的合成工藝對二氧化錳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、表面形貌和電化學(xué)性能的影響43-49
• 3.1 載體的合成工藝對二氧化錳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)的影響43-45
• 3.2 載體的合成工藝對二氧化錳復(fù)合材料的表面形貌影響45-47
• 3.3 載體的合成工藝對二氧化錳/碳復(fù)合材料的電化學(xué)性能影響47-49
• 3.3.1 循環(huán)伏安測試47-48
• 3.3.2 恒電流充放電測試48-49
• 3.3.3 交流阻抗測試(EIS)49
• 4 生成條件對二氧化錳/碳復(fù)合材料的形貌、組成和電化學(xué)性能的影響49-60
• 4.1 生成條件對二氧化錳/碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)的影響49-51
• 4.2 生成條件對二氧化錳/碳復(fù)合材料的形貌的影響51-54
• 4.3 生成條件對二氧化錳/碳復(fù)合材料的組成的影響54
• 4.4 電化學(xué)性能測試54-60
• 4.4.1 循環(huán)伏安測試(CV)55-57
• 4.4.2 恒電流充放電57-58
• 4.4.3 交流阻抗測試(EIS)58-59
• 4.4.4 壽命測試59-60
• 5 小結(jié)60-61
• 第五章 結(jié)論61-63
• 參考文獻(xiàn)63-68
• 致謝68-69
• 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文69

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1074689