C-MnOx復(fù)合材料的構(gòu)筑及其超級(jí)電容器性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)化石能源日趨枯竭，能源危機(jī)不可避免，發(fā)展清潔能源迫在眉睫。而太陽(yáng)能等清潔能源的不連續(xù)、不穩(wěn)定特性對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備提出了新的要求，因此新型儲(chǔ)能設(shè)備備受關(guān)注。超級(jí)電容器作為一種新型的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，具有功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)、備用電源、消費(fèi)電子產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。影響超級(jí)電容器性能的因素眾多，而電極材料是其中最主要的因素。因此，電極材料成為超級(jí)電容器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。錳基氧化物是一種典型的贗電容材料，它具有

2、理論容量高、廉價(jià)易得、毒性低等優(yōu)點(diǎn)，在超級(jí)電容器領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但是錳基氧化物的導(dǎo)電性差，對(duì)其電化學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響。為了增強(qiáng)錳基氧化物的電化學(xué)性能，通常采用提高其導(dǎo)電性的方法，如用其它金屬元素進(jìn)行摻雜和制備無(wú)粘結(jié)劑的電極等。其中，采用高導(dǎo)電性的碳材料與錳基氧化物復(fù)合是一種最有效的方式。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過(guò)簡(jiǎn)單的液相反應(yīng)將超薄的MnO2納米片分別包覆在零維（碳球，XC）、一維（碳納米管，CNT）和二維（石墨烯，

3、rGO）碳材料表面，并用三電極體系在0.5 M Na2SO4水溶液中對(duì)其超級(jí)電容性能進(jìn)行了研究。在1 A g-1的電流密度下，純MnO2的比電容為99.0 F g-1，與不同維度的碳材料復(fù)合后，比電容均有所增加。XC@MnO2、CNT@MnO2和 rGO@MnO2復(fù)合材料的比電容分別為120.5 F g-1、186.7 F g-1和158.1 F g-1。對(duì)復(fù)合材料電極電化學(xué)行為的差異通過(guò)電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)比，CNT@MnO

4、2復(fù)合材料電極的界面電荷轉(zhuǎn)移電阻最小，電解液離子在電極中的擴(kuò)散系數(shù)（9.2?10-10 cm2 s-1）最大。研究結(jié)果表明，一維碳材料修飾的MnO2表現(xiàn)出最優(yōu)異的電化學(xué)性能，這將為其它類(lèi)似復(fù)合材料在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。⑵細(xì)菌纖維素是一種性能優(yōu)異的生物質(zhì)碳源，具有獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠大量吸附離子?；诖?，我們提出了一種一步制備生物質(zhì)碳纖維復(fù)合材料的方法，為制備高性能的儲(chǔ)能材料提供參考。首先，將細(xì)菌纖維素凝膠浸泡在KMnO4水

5、溶液中，待KMnO4進(jìn)入凝膠中達(dá)到平衡后，通過(guò)冷凍干燥保持其三維結(jié)構(gòu)，再通過(guò)高溫?zé)峤饧纯傻玫教祭w維/一氧化錳（CF/MnO）復(fù)合材料?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)KMnO4溶液的濃度來(lái)控制復(fù)合材料中 MnO納米粒子的粒徑與含量。在三電極體系中，當(dāng)KMnO4溶液的濃度為20 mM時(shí)的熱解產(chǎn)物（CF/MnO-20）具有最優(yōu)的電化學(xué)性能，其比容量在0.5Ag-1的電流密度下可高達(dá)192.3Fg-1。此外，以rGO為負(fù)極、CF/MnO-20為正極組成的不對(duì)稱(chēng)電