本文關(guān)鍵詞：基于超級電容器用的納米二氧化錳的制備及性能研究

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【摘要】：超級電容器以其高功率密度、長使用壽命和快充放電速度等優(yōu)點被廣泛用于混合電動汽車和便攜式電子設(shè)備,已成為近年來的研究熱點。二氧化錳因具有高的理論比電容(1370 Fg-1)、資源豐富、價格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點引起了人們的廣泛關(guān)注,并被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ某夒娙萜饔眠^渡金屬氧化物。本文主要采用水熱合成法制備一系列納米二氧化錳電極材料。采用SEM、 XRD、BET、循環(huán)伏安、恒電流充放電和交流阻抗等方法對所制備材料的結(jié)構(gòu)和電化學性能進行了表征。主要研究內(nèi)容如下所示：1.以KMnO4為錳源,以MnSO4為還原劑,在不使用任何表面活性劑的前提下,采用水熱合成法通過改變反應(yīng)物濃度可控合成了多枝狀和長度可控的納米棒等不同形貌的α-MnO2。研究了反應(yīng)物濃度和反應(yīng)時間對產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)和形貌的影響。采用循環(huán)伏安法和恒電流充放電測試對多枝狀α-MnO2進行電化學性能測試,在1 M的Na2SO4溶液中,電流密度為2Ag-1時,多枝狀α-MnO2的比電容為182 F g-1,該電極材料同時具有良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。2.通過高錳酸鉀和硫酸錳在水熱合成的條件下反應(yīng)制備了沉積在石墨棒上的α-MnO2薄膜電極。研究結(jié)果表明α-MnO2納米棒均勻的沉積在石墨棒上。這些納米棒相互連接而形成的多孔納米結(jié)構(gòu)有利于電解液滲透到材料內(nèi)部、可提供快速的電子傳輸通道和縮短電子和離子在二氧化錳中的擴散距離。電化學性能測試表明,α-MnO2納米棒薄膜電極材料具有良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,在2Ag-1的電流密度下循環(huán)2000次后,容量的衰減僅為2%,在1 M的Na2SO4溶液中,電流密度為1 Ag-1時,該電極材料的比電容為229 F g-1。3.采用水熱合成法制備了生長在碳紙上的多孔二氧化錳納米線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜電極(α-MnO2/CFP)作為集流體的高導(dǎo)電性的CFP網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以為快速的氧化還原反應(yīng)提供理想的電子傳輸通道。CFP導(dǎo)電基體和α-MnO2的納米線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用能夠有效的釋放由于電解液中陽離子的可逆嵌入和脫出所產(chǎn)生的應(yīng)力。電流密度為1 Ag-1時,α-MnO2/CFP電極的比電容高達251 F g-,該電極同時具有良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。在4A g-1的電流密度下循環(huán)3000次后,多孔α-MnO2/CFP電極的初始電容保持率為98.9%。4.通過水熱合成法制備了摻銅的δ-MnO2納米片薄膜電極,并研究了銅的摻雜濃度對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌和電化學性能的影響。銅的摻雜不僅增強了電極材料的導(dǎo)電性,同時促進了花狀納米結(jié)構(gòu)的形成。同時我們可以通過改變銅的摻雜濃度可控合成不同形貌和電化學性能的δ-Mn02薄膜電極。結(jié)果顯示,優(yōu)化的銅摻雜濃度為2 at%的δ-MnO2薄膜比電容最大,在電流密度為1A g-1時其電容值為296 F g-1,比未摻雜的δ-MnO2薄膜的比電容增加了80%,同時比未摻雜的δ-MnO2薄膜具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性能。
【關(guān)鍵詞】：超級電容器 二氧化錳 電極 電化學性能
【學位授予單位】：廣東工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O614.711;TM53
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 緒論14-50
• 1.1 引言14-15
• 1.2 超級電容器的結(jié)構(gòu)和工作原理15-17
• 1.2.1 雙電層電容器16-17
• 1.2.2 法拉第電容器17
• 1.3 電解液17-19
• 1.4 超級電容器電極材料研究進展19-26
• 1.4.1 碳基材料的研究進展20-23
• 1.4.2 導(dǎo)電聚合物材料23-24
• 1.4.3 金屬氧化物24-26
• 1.5 MnO_2電極材料的研究26-35
• 1.5.1 二氧化錳的晶體結(jié)構(gòu)27-28
• 1.5.2 二氧化錳粉末電極材料28-30
• 1.5.3 二氧化錳薄膜電極材料30-32
• 1.5.4 二氧化錳電極材料的改性32-35
• 1.5.4.1 二氧化錳復(fù)合金屬氧化物32-33
• 1.5.4.2 二氧化錳/碳復(fù)合材料33-34
• 1.5.4.3 二氧化錳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合電極材料34-35
• 1.6 論文的構(gòu)思與主要內(nèi)容35-36
• 參考文獻36-50
• 第二章 實驗部分50-57
• 2.1 實驗試劑50
• 2.2 實驗儀器50-51
• 2.3 樣品表征方法51-53
• 2.3.1 X射線衍射儀(XRD)51
• 2.3.2 掃描電子顯微(SEM)分析技術(shù)51-52
• 2.3.3 透射電子顯微鏡(TEM)分析52
• 2.3.4 拉曼分析(Roman)52
• 2.3.5 熱重分析(TG)52
• 2.3.6 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)52-53
• 2.3.7 比表面積分析(BET)53
• 2.4 電化學測試技術(shù)53-57
• 2.4.1 二氧化錳電極制備53-54
• 2.4.2 電化學測試的實驗裝置54
• 2.4.3 循環(huán)伏安測試(CV)54-55
• 2.4.4 恒電流充放電測試55
• 2.4.5 交流阻抗測試(EIS)55-56
• 2.4.6 循環(huán)穩(wěn)定性測試56-57
• 第三章 多枝狀α-MnO_2的制備及其電容性能研究57-75
• 3.1 引言57-58
• 3.2 實驗部分58-59
• 3.2.1 多枝狀α-Mn0_2的制備58-59
• 3.2.2 電極的制備59
• 3.3 結(jié)果與討論59-73
• 3.3.1 MnO_2結(jié)構(gòu)表征及形貌分析59-69
• 3.3.2 枝狀α-MnO_2電化學性能測試69-73
• 3.4 結(jié)論73
• 參考文獻73-75
• 第四章 水熱合成法制備超級電容器用二氧化錳納米棒薄膜電極75-86
• 4.1 引言75-76
• 4.2 α-MnO_2納米棒薄膜電極的制備76
• 4.3 結(jié)果與討論76-84
• 4.3.1 α-MnO_2納米棒薄膜結(jié)構(gòu)表征及形貌分析76-80
• 4.3.2 α-MnO_2納米棒薄膜電極電化學性能測試80-84
• 4.4 結(jié)論84
• 參考文獻84-86
• 第五章 α-MnO_2納米線薄膜電極的制備及其電容性能研究86-104
• 5.1 引言86-88
• 5.2 α-MnO_2/CFP薄膜電極的制備88
• 5.3 結(jié)果和討論88-99
• 5.3.1 α-MnO_2/CFP結(jié)構(gòu)表征及形貌分析88-92
• 5.3.2 α-MnO_2/CFP電化學性能測試92-99
• 5.4 結(jié)論99-100
• 參考文獻100-104
• 第六章 二氧化錳電極材料的改性及電容性能研究104-125
• 6.1 引言104-105
• 6.2 鋁摻雜二氧化錳電極材料的制備及電化學性能研究105-107
• 6.2.1 鋁摻雜二氧化錳電極材料的制備105
• 6.2.2 循環(huán)伏安法測試105-107
• 6.3 鋅摻雜二氧化錳電極材料的制備及電化學性能研究107-108
• 6.3.1 鋅摻雜二氧化錳電極材料的制備107
• 6.3.2 循環(huán)伏安法測試107-108
• 6.4 銅摻雜二氧化錳電極材料的制備及電化學性能研究108-122
• 6.4.1 銅摻雜二氧化錳電極材料的制備108
• 6.4.2 循環(huán)伏安法測試108-110
• 6.4.3 銅摻雜二氧化錳薄膜電極結(jié)構(gòu)表征及形貌分析110-116
• 6.4.4 銅摻雜二氧化錳薄膜電極的電化學性能研究116-122
• 6.5 結(jié)論122-123
• 參考文獻123-125
• 第七章 結(jié)論125-127
• 博士期間發(fā)表論文127-129
• 致謝129

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本文編號：973158