碳-氧化錳復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、21世紀(jì)，能源問題無庸置疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。隨著全球變暖等氣候問題的日益嚴(yán)峻以及常規(guī)化石燃料的日益枯竭，這不僅要求人們要加快開發(fā)清潔、可持續(xù)和可再生的能源以及有效控制二氧化碳等溫室氣體的排放，而且要求人們發(fā)展更加先進(jìn)的能量存貯和控制裝置，從而滿足世界范圍內(nèi)的能源需求。超級電容器能夠提供短暫但是極高的功率，很可能成為下一代最重要的能源存儲裝置。開發(fā)和研制一種先進(jìn)的超級電容器，高容量的活性電極材料是不可缺少的。本文采用不同的合成方法制備了不

2、同微觀形貌的氧化錳、碳/氧化錳以及碳/聚苯胺復(fù)合材料并將其用作超級電容器電極材料，通過XRD、SEM、TEM、Raman、XPS等技術(shù)對其微觀結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了分析，通過循環(huán)伏安、恒流充放電和交流阻抗等測試方法對其電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。
　　 本文分別采用微波法和水熱法制備了具有不同微觀形貌的MnO2并考察了微觀形貌對MnO2電化學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與微波法制備的棒狀MnO2相比，水熱法制備的層狀結(jié)構(gòu)的MnO2具有較好的電

3、化學(xué)性能，其最高比容量為242F·g-1，功率密度最大可達(dá)10.4kW·kg-1，200次循環(huán)后比容量增加了8.1％。
　　 為了改善MnO2的導(dǎo)電性，我們采用水熱合成的方法制備了納米石墨片(GNPs)/MnO2復(fù)合材料，同時(shí)又采用微波法制備了碳納米管(CNTs)/MnO2復(fù)合材料及石墨烯（graphene）/MnO2復(fù)合材料，考察了不同碳載體對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響，并研究了合成機(jī)理。GNP/MnO2復(fù)合材料中Mn

4、O2是由α-MnO2和γ-MnO2組成的混晶，其比容量（基于MnO2）隨著復(fù)合材料中納米石墨片含量的增加而單調(diào)增加，最大比容量為276.3F·g-1，當(dāng)復(fù)合材料中納米石墨片的含量僅為10％時(shí)，復(fù)合材料的比容量（基于復(fù)合材料）可達(dá)158F·g-1。CNT/MnO2復(fù)合材料中MnO2為層狀結(jié)構(gòu)的bimessite-MnO2，并且復(fù)合材料中MnO2的含量隨著初始反應(yīng)物KM1O4含量的增加由15％增大至57％。對于CNT-15％MnO2復(fù)合材料

5、，當(dāng)掃描速度為1mV.s-1時(shí)電極的比容量(基于MnO2)為944F·g-1（理論比容量的85％），在500mV.s-1時(shí)的比容量仍達(dá)522F·g-1。對于CNT-57％MnO2復(fù)合材料，最高比容量（基于復(fù)合材料）為239.1F·g-1。當(dāng)能量密度為25.2Wh·kg-1時(shí)功率密度為45.4W·kg-1。石墨烯/MnO2復(fù)合材料中MnO2為具有層狀結(jié)構(gòu)單斜晶系的bimessite-MnO2，MnO2的晶粒尺寸較小(5～10nm)且粉末近

6、似無定形，納米級的MnO2粒子分散在石墨烯納米片的表面，并且優(yōu)先在石墨烯納米片的邊緣部分生長。graphene-78％MnO2復(fù)合材料的最高比容量（基于復(fù)合材料）為310F·g-1，當(dāng)掃描速度增加至500mV.s-1時(shí)比容量仍可達(dá)228F·g-1。據(jù)我們所知，這是目前為止報(bào)道的C/MnO2復(fù)合材料中比容量的最高值。復(fù)合材料在較寬的電壓掃描范圍內(nèi)具有較高的電容保持率，當(dāng)掃描速度為100mV.s-1時(shí)，電容保持率為88％，在500mV·s-

7、1時(shí)仍能保持在74％，500次循環(huán)后復(fù)合材料的比容量僅衰減了1.5％。
　　 另外，我們還嘗試以石墨烯作為沉積載體通過原位聚合的方法成功制備了石墨烯/聚苯胺復(fù)合材料，聚苯胺納米粒子（～2nm）均勻地包覆在石墨烯納米片的表面。復(fù)合材料的最高比容量（基于復(fù)合材料）為1046F·g-1，當(dāng)功率密度為70kW·kg-1時(shí)能量密度為39Wh·kg-1。但是隨著掃描速度的增加，其電容保持率顯著降低，并且電極的電化學(xué)循環(huán)性能較差。