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《新疆大学》 2011年
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多孔电极材料的制备及其电化学电容行为研究

贾巍  
【摘要】:超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件。它在移动通信、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等领域具有广阔的应用前景,已在世界范围内引起了极大关注。超级电容器的研究主要集中在高性能电极材料的制备上,而多孔的电极材料更有助于提高电极的电化学性能。本文采用不同的方法合成了多孔的MnO_2、Mn3O4、NiO,并将其制作成超级电容器用电极材料,结合多种研究方法和电化学测试手段,系统地研究了材料制备、电容特性及其影响因素、电容形成机理。全文的主要研究内容如下: 1.以SBA~(-1)5分子筛作为硬模板合成介孔碳,再以合成的介孔碳为碳源,合成多孔MnO_2。同时还将产物与以碳球为模板反应得到的MnO_2进行了对比,实验结果表明:由介孔碳反应得到的材料呈疏松的三维网络状,比表面积可达300 m~2 g~(-1),具有较窄的孔径分布。电化学测试表明:由介孔碳合成的材料在1.0 M Na_2SO_4,-0.2~0.8 V (vs SCE)的电位窗口范围内具有良好的矩形特征。在0.5 A g~(-1)的放电倍率下介孔碳合成的MnO_2容量可达275 F g~(-1),而碳球合成的材料容量只有218 F g~(-1)。 2.利用聚乙二醇(PEG)和KMnO_4反应直接制备多孔MnO_2,并考察了不同链长的PEG对产物形貌及电化学电容行为的影响。结果表明:利用PEG和KMnO_4反应可以成功制备出无定形的MnO_2。PEG在反应体系中既可以作为还原剂,又对产物的形貌有一定的影响。电化学测试表明:PEG~(-1)000制得的MnO_2小电流放电容量最高,而PEG-400制备的材料倍率容量最好,同时这种方法简单、有效,具有典型的绿色合成的特点。 3.分别利用廉价的纤维素、β-环糊精合成了水钠锰矿型MnO_2。并通过XRD、FESEM、TEM和HRTEM、N2吸附-脱附、循环伏安、恒流充放电等测试手段对材料的物相和电化学电容行为进行了表征。结果表明:用β-环糊精反应制得的材料粒径均匀,分散性较好,比表面积大,在0.25 A g~(-1)的放电电流下,比容量可达303 F g~(-1);而利用纤维素反应所得材料团聚现象比较严重且容量仅能达到255 F g~(-1)。 4.利用水溶性的高分子聚合物PVA,制备了多孔Mn_3O_4。通过不同扫描速度下的循环伏安测试,不同放电倍率下的恒流充放电测试,发现测试电极在1.0 M Na2SO4电解液中具有典型的电容特性,于0.25 A g~(-1)的放电电流下,比容量达240 F g~(-1)。 5.以天然多糖中唯一的碱性多糖壳聚糖为原料,采用原位还原法制备了高度晶化的纳米结构的黑锰矿Mn_3O_4。利用SEM和TEM对产物的形貌进行表征,发现材料呈疏松的多孔结构。经电化学测试表明,这种典型的多孔材料非常有利于离子的嵌入/脱出,在1.0 M Na_2SO_4于0.25 A g~(-1)的放电倍率下,比电容达277 F g~(-1)。 6.用改良的沉淀法在酸化处理过的碳纳米管(CNTs)上沉积氢氧化镍,经300℃热分解得到NiO/CNTs复合电极材料。采用XRD、TG、SEM和BET比表面积分析等方法对合成的材料进行了物理表征;用循环伏安法和充放电测试对其电化学性能进行了研究。结果表明,CNTs的引入在一定程度上提高了NiO的分散性,从而大大增加了复合电极材料的比电容和倍率容量。掺入20%CNTs后复合电极的比电容达到最高值(309 F g~(-1));掺入40%CNTs的复合电极材料扣除CNTs对容量的贡献后(本实验测试CNTs的比容量为35 F g~(-1)),NiO的放电容量可达420 F g~(-1),明显高于纯相NiO的容量(175 F g~(-1)),并且材料的倍率容量也显著提高。
【学位授予单位】:新疆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O646.54

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