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(diǎn)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(diǎn)。二氧化錳因具有高的理論比電容(1370 Fg-1)、資源豐富、價(jià)格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)引起了人們的廣泛關(guān)注,并被認(rèn)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(xué)性能進(jìn)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(shí)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(jìn)行電化學(xué)性能測試,在1 M的Na2SO4溶液中,電流密度為2Ag-1時(shí),多枝狀α-MnO2的比電容為182 F g-1,該電極材料同時(shí)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(kuò)散距離。電化學(xué)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(shí),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(shí),α-MnO2/CFP電極的比電容高達(dá)251 F g-,該電極同時(shí)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(xué)性能的影響。銅的摻雜不僅增強(qiáng)了電極材料的導(dǎo)電性,同時(shí)促進(jìn)了花狀納米結(jié)構(gòu)的形成。同時(shí)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(xué)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(shí)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(shí)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(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(jìn)展19-26
• 1.4.1 碳基材料的研究進(jìn)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(xiàn)36-50
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分50-57
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑50
• 2.2 實(shí)驗(yàn)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(xué)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(xué)測試的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xué)性能測試69-73
• 3.4 結(jié)論73
• 參考文獻(xiàn)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(xué)性能測試80-84
• 4.4 結(jié)論84
• 參考文獻(xiàn)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(xué)性能測試92-99
• 5.4 結(jié)論99-100
• 參考文獻(xiàn)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)性能研究116-122
• 6.5 結(jié)論122-123
• 參考文獻(xiàn)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