锰基氧化物纳米材料的制备及其在超级电容器中的应用

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锰基氧化物具有成本低、环境友好、理论比电容大等优点,将其作为超级电容器(SC)电极材料,可以得到理想的SC。然而,锰氧化物电极由于其导电性较差,带隙较宽,在实际应用中很难获得理想的性能。为了改善锰基氧化物的电化学性能,本论文通过制备特殊结构的锰氧化物、与还原氧化石墨烯复合、合成三元金属氧化物等方法对锰氧化物进行改性等,合成不同的锰氧化物。主要研究内容包括:(1)通过直接沉淀法制备了平均直径为4.0 nm的超细Mn3O4纳米线。它们具有175.1 m~2 g-1的大比表面积,并能提供大量的活性位点以增强其比电容。它们的孔隙体积为0.7960 cm~3 g-1,可为充放电过程中的离子传输提供必要的通道。在1M Na2SO4电解液中由超细Mn3O4纳米线组成的超级电容器电极在充放电过程中表现出突出的表面电容行为,并且在电流密度为0.5 A g-1能够达到较大的433.1 F g-1的比电容,并且其电势窗口能够从-0.5 V到1.1 V。以超细Mn3O4纳米线为正极,活性炭(AC)为负极,制备了非对称超级电容器(ASC),在功率密度为442 W kg-1的情况下,获得了26.68 Wh kg-1的高能量密度。ASC具有良好的循环稳定性,充放电循环64000次后,其电容值仍维持在75.8%,能够投入实际应用。(2)通过直接沉淀法制备了Mn2O3/rGO复合材料,并且对比了掺r GO量的不同对Mn2O3电化学性能的影响。在2 M KOH电解质中,当掺r GO量为2%wt时,Mn2O3/r GO有最佳的电化学性能,在1 A g-1的电流密度下,其比电容为782 F g-1。以Mn2O3/r GO-2复合物为正极,AC为负极,制备了ASC,在功率密度为373.8W kg-1时,其能量密度为28.6 Wh kg-1。在经过64000次充放电循环后,ASC的比电容值能够保持97.4%,说明ASC具有极佳的循环性能,有着较好的开发前景。(3)采用两步水热法合成了MnCo2O4/Ni3S4纳米复合材料。与单独的Mn Co2O4和Ni3S4相比,Mn Co2O4/Ni3S4纳米复合材料作为超级电容器的电极具有更高的比电容和更好的循环稳定性。在1 A g-1时,Mn Co2O4/Ni3S4电极的比电容值为1644.9F g-1,电势窗口为0~0.55 V。以Mn Co2O4/Ni3S4为正极和AC为负极组装的ASC在1 A g-1时的比电容为116.4 F g-1,在405.8 W kg-1时的能量密度为50.7 Wh kg-1。其长期稳定性试验表明,在5500次充放电循环后,ASC的比电容明显增加,在25000次充放电循环后达到初始值的162.7%,在64000次充放电循环后保持稳定。循环64000次后,其能量密度增加到54.2 Wh kg-1,具有较高的应用价值。
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