水熱法制備鋁摻雜二氧化錳及其儲(chǔ)鋅性能的研究
發(fā)布時(shí)間：2021-11-27 22:23
可充電水系鋅錳電池成本低、環(huán)保無(wú)毒、安全性好,在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。然而,該電池中不僅存在MnO2正極導(dǎo)電率低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等問(wèn)題,而且存在負(fù)極鋅枝晶生長(zhǎng)與析氫腐蝕問(wèn)題,這嚴(yán)重制約了電池循環(huán)穩(wěn)定性的提升。本文采用水熱法制備了Al摻雜二氧化錳作為鋅錳電池的高穩(wěn)定性正極材料,并通過(guò)X射線衍射（XRD）、能量色散X射線光譜儀（EDS）、傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）和X射線光電子能譜（XPS）詳細(xì)討論了Al摻雜對(duì)MnO2物相、形貌、含水量與電化學(xué)性能的影響。研究表明,Al摻雜不僅使樣品由微米級(jí)β-MnO2轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米級(jí)α-MnO2,還使產(chǎn)物中結(jié)晶水含量增加。作為鋅錳電池正極材料,所制備的Al摻雜MnO2在1 A·g-1高電流密度下500次循環(huán)后剩余容量高達(dá)150.1 mAh·g-1,循環(huán)穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于未摻雜的MnO2樣品(500次循環(huán)后容量為97.8 mAh·g-1)。本研究對(duì)高性能鋅...
【文章來(lái)源】：人工晶體學(xué)報(bào). 2020,49(04)北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)
【部分圖文】：
實(shí)驗(yàn)樣品的XRD圖譜(a)、元素分布圖(b)和熱重曲線(c)
圖2(b～d)是兩個(gè)樣品的X射線光電子能譜(XPS)。在兩個(gè)樣品的XPS全譜圖中可以清楚地觀測(cè)到Mn、O和C元素的XPS信號(hào)(圖2(b))。其中,C元素是XPS檢測(cè)時(shí)常見的表面污染元素,常被用作校準(zhǔn)XPS光譜結(jié)合能的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)物(C 1s=284.6 eV)。對(duì)70～80 eV范圍內(nèi)的XPS譜放大后可以看到摻雜樣品的Al 2p峰。這一結(jié)果可以印證Al元素?fù)诫s進(jìn)入了MnO2晶格當(dāng)中。圖2(c)是兩個(gè)樣品Mn 2p3/2軌道的XPS峰。這個(gè)XPS峰在低結(jié)合能處存在一個(gè)不太明顯的肩峰,整體峰位和峰形與MnO2標(biāo)準(zhǔn)樣的XPS峰特征非常相似[45]。并且,這兩個(gè)樣品的Mn 2p3/2和Mn 2p1/2峰之間的自旋分裂能在11.8～11.9 eV之間,表明樣品中錳元素主要以Mn4+形式存在[46-47]。由圖2(d)可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),樣品的O 1s峰可以分為Mn-O-Mn (529～530 eV)、Mn-O-H (530～531 eV)和 H-O-H (532～533 eV)三部分[48]。Al摻雜后,樣品中歸屬于Mn-O-H和H-O-H的O 1s峰強(qiáng)度增大,表明鋁摻雜確實(shí)提高了樣品中結(jié)晶水的含量。上述XPS測(cè)試結(jié)果與XRD、TG、FTIR測(cè)試結(jié)果一起,可以證明本文中水熱法確實(shí)合成了Al摻雜MnO2材料。圖3為典型樣品的掃描和透射電鏡照片(SEM和TEM)。由圖3(a)可知,未摻雜樣品由直徑100～200 nm,長(zhǎng)度500～2 500 nm的微米棒組成。Al摻雜以后,樣品仍為棒狀,但顆粒尺寸迅速減小(圖3(b))。圖3(c～d) 為摻雜樣品的TEM照片和選區(qū)電子衍射斑(SAED,圖3(c)中插圖)。由TEM照片和SAED斑可知,摻雜樣品由長(zhǎng)度約20～200 nm,直徑約4～40 nm的α-MnO2納米棒組成,每根納米棒均為沿[110]方向取向生長(zhǎng)單晶。
圖3為典型樣品的掃描和透射電鏡照片(SEM和TEM)。由圖3(a)可知,未摻雜樣品由直徑100～200 nm,長(zhǎng)度500～2 500 nm的微米棒組成。Al摻雜以后,樣品仍為棒狀,但顆粒尺寸迅速減小(圖3(b))。圖3(c～d) 為摻雜樣品的TEM照片和選區(qū)電子衍射斑(SAED,圖3(c)中插圖)。由TEM照片和SAED斑可知,摻雜樣品由長(zhǎng)度約20～200 nm,直徑約4～40 nm的α-MnO2納米棒組成,每根納米棒均為沿[110]方向取向生長(zhǎng)單晶。圖4為所得樣品的氮吸附/脫附等溫線和孔徑分布曲線。根據(jù)國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)分類,兩樣品的等溫線均屬于IV型,說(shuō)明樣品中孔隙以介孔為主。從孔徑分布曲線可知,樣品孔徑主要分布在<20 nm區(qū)域內(nèi),未摻雜和摻雜樣品的平均孔徑分別為8.2 nm和16.1 nm。Al摻雜以后樣品比表面積(SBET)和孔體積(Vpore)由17.3 m2/g和0.03 cm3/g分別增加到56.6 m2/g和0.22 cm3/g。對(duì)于電化學(xué)反應(yīng)來(lái)講,高比表面積電極材料可以提供更多的氧化還原反應(yīng)活性位點(diǎn)[49];電極中的介孔結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)電解液向電極材料中快速滲透,兩者均有利于提升電極材料的電化學(xué)反應(yīng)速率與電極材料利用率[50]。
本文編號(hào)：3523159
【文章來(lái)源】：人工晶體學(xué)報(bào). 2020,49(04)北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)
【部分圖文】：
實(shí)驗(yàn)樣品的XRD圖譜(a)、元素分布圖(b)和熱重曲線(c)
圖2(b～d)是兩個(gè)樣品的X射線光電子能譜(XPS)。在兩個(gè)樣品的XPS全譜圖中可以清楚地觀測(cè)到Mn、O和C元素的XPS信號(hào)(圖2(b))。其中,C元素是XPS檢測(cè)時(shí)常見的表面污染元素,常被用作校準(zhǔn)XPS光譜結(jié)合能的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)物(C 1s=284.6 eV)。對(duì)70～80 eV范圍內(nèi)的XPS譜放大后可以看到摻雜樣品的Al 2p峰。這一結(jié)果可以印證Al元素?fù)诫s進(jìn)入了MnO2晶格當(dāng)中。圖2(c)是兩個(gè)樣品Mn 2p3/2軌道的XPS峰。這個(gè)XPS峰在低結(jié)合能處存在一個(gè)不太明顯的肩峰,整體峰位和峰形與MnO2標(biāo)準(zhǔn)樣的XPS峰特征非常相似[45]。并且,這兩個(gè)樣品的Mn 2p3/2和Mn 2p1/2峰之間的自旋分裂能在11.8～11.9 eV之間,表明樣品中錳元素主要以Mn4+形式存在[46-47]。由圖2(d)可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),樣品的O 1s峰可以分為Mn-O-Mn (529～530 eV)、Mn-O-H (530～531 eV)和 H-O-H (532～533 eV)三部分[48]。Al摻雜后,樣品中歸屬于Mn-O-H和H-O-H的O 1s峰強(qiáng)度增大,表明鋁摻雜確實(shí)提高了樣品中結(jié)晶水的含量。上述XPS測(cè)試結(jié)果與XRD、TG、FTIR測(cè)試結(jié)果一起,可以證明本文中水熱法確實(shí)合成了Al摻雜MnO2材料。圖3為典型樣品的掃描和透射電鏡照片(SEM和TEM)。由圖3(a)可知,未摻雜樣品由直徑100～200 nm,長(zhǎng)度500～2 500 nm的微米棒組成。Al摻雜以后,樣品仍為棒狀,但顆粒尺寸迅速減小(圖3(b))。圖3(c～d) 為摻雜樣品的TEM照片和選區(qū)電子衍射斑(SAED,圖3(c)中插圖)。由TEM照片和SAED斑可知,摻雜樣品由長(zhǎng)度約20～200 nm,直徑約4～40 nm的α-MnO2納米棒組成,每根納米棒均為沿[110]方向取向生長(zhǎng)單晶。
圖3為典型樣品的掃描和透射電鏡照片(SEM和TEM)。由圖3(a)可知,未摻雜樣品由直徑100～200 nm,長(zhǎng)度500～2 500 nm的微米棒組成。Al摻雜以后,樣品仍為棒狀,但顆粒尺寸迅速減小(圖3(b))。圖3(c～d) 為摻雜樣品的TEM照片和選區(qū)電子衍射斑(SAED,圖3(c)中插圖)。由TEM照片和SAED斑可知,摻雜樣品由長(zhǎng)度約20～200 nm,直徑約4～40 nm的α-MnO2納米棒組成,每根納米棒均為沿[110]方向取向生長(zhǎng)單晶。圖4為所得樣品的氮吸附/脫附等溫線和孔徑分布曲線。根據(jù)國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)分類,兩樣品的等溫線均屬于IV型,說(shuō)明樣品中孔隙以介孔為主。從孔徑分布曲線可知,樣品孔徑主要分布在<20 nm區(qū)域內(nèi),未摻雜和摻雜樣品的平均孔徑分別為8.2 nm和16.1 nm。Al摻雜以后樣品比表面積(SBET)和孔體積(Vpore)由17.3 m2/g和0.03 cm3/g分別增加到56.6 m2/g和0.22 cm3/g。對(duì)于電化學(xué)反應(yīng)來(lái)講,高比表面積電極材料可以提供更多的氧化還原反應(yīng)活性位點(diǎn)[49];電極中的介孔結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)電解液向電極材料中快速滲透,兩者均有利于提升電極材料的電化學(xué)反應(yīng)速率與電極材料利用率[50]。
本文編號(hào)：3523159
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