多孔锰基氧化物—石墨烯复合材料的制备及其电性能研究

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由于环境的恶化和化石燃料的消耗,迫切需要发展再生能源存储设备。超级电容器和锂离子电池作为新型储能器件引起了人们广泛研究。锰氧化物(MnOX)环境友好,价格低廉,理论容量值高,是一种极具潜力的超级电容器和锂离子电池电极材料。大量研究表明具有多孔结构的锰氧化物通常比块体材料拥有更优异的电化学能,但由于其自身导电性较差,结构的调整对其容量的提升及倍率性能的改善有一定的局限性。石墨烯因其具有高的导电性,大的比表面积和稳定的电化学性能,可作为提高多孔锰氧化物电化学性能的添加剂。因此,本工作在研究介孔四氧化三锰,八氧化五锰,三氧化二锰的基础上,实现了具有优异双性能(超级电容器和锂离子)的多孔四氧化三锰/石墨烯(Mn3O4/rGO)复合材料的制备。主要内容如下:(1)在室温下无模板法制备了具有高比表面积三维网络结构介孔Mn3O4。作为电容器电极材料,表现出较好的电容性能:比电容为230280 F g-1(0.5 Ag-1),30 Ag-1下仍保持52.8%且具有优异循环寿命(99%,2 Ag-1下循环5000次后)。(2)对三维网络结构介孔锰氧化物(Mn3O4,Mn5O8,Mn2O3)的结构与电化学性能(超级电容器和锂离子电池)关系进行了研究。结果显示:制备比表面积大,颗粒尺寸小且结晶度较高的电极材料对电化学性能的提升有重要意义。(3)通过石墨烯的微调,实现了双高性能三维网络结构介孔Mn3O4/rGO的均匀复合构建。当rGO为2.6%时复合材料显示出最佳电容综合性能:SC值315 F g-1(0.5 Ag-1),倍率为69.5%(30 Ag-1),循环寿命106%(5 Ag-1下循环5000次后);而当rGO含量为6.6%时,则显示出最佳锂电性能。在50 mAg-1电流密度下,其可逆容量高达1523 mAh g-1,当增加至1 Ag-1,仍保持540 mAh g-1,此外其循环性能也有明显提高。这不仅显示该复合材料应用于超电和锂电电极材料有着巨大的前景,也为实现制备同时具有双性能的电极材料提供了新思路。
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