基于气-液界面反应的锰氧化物纳米复合材料的制备及电化学性能研究

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锰氧化物由于其理论容量高、安全性好、热力学稳定性佳以及成本低等优点,被应用在超级电容器和其他储能器件中。然而,锰氧化物由于导电性差、结构稳定性不佳(体积变化大)等问题,应用受到一定限制。将其与导电材料(如导电聚合物、碳和石墨烯等)结合,构筑具有纳米结构的锰氧化物的复合物,并赋予其优秀的导电性及结构稳定性,被认为是有效的应对方法。由于可以为材料的形成提供限域空间,气-液界面反应是常用的制备纳米结构复合材料的手段。所以,本论文进行了基于气-液界面反应的锰氧化物复合材料的制备以及电化学性能研究。主要研究内容如下:(1)以苯胺为气相,高锰酸钾水溶液为液相,并通过它们在气-液界面处发生的氧化还原反应(简称气-液界面反应),合成了二氧化锰/聚苯胺纳米复合材料(Mn O2/PANI)。微观形貌的观察表明,Mn O2/PANI具有理想的纳米多孔结构。UV-vis研究了气-液界面反应过程,XRD和XPS证实了产物的物质成分与结构。三电极的电化学测试表明,Mn O2/PANI的比容(SC)最高可达242.7 F/g(0.5 A/g),循环5000次后(5.0 A/g),比容保持率为66.1%。此外,将由两个相同Mn O2/PANI电极组成的对称型超级电容器串联组合,可成功点亮LED灯。上述研究证实,气-液界面反应是一种制备二氧化锰/聚苯胺纳米复合材料的有效方法,具有良好的应用前景。(2)以界面反应法制得的Mn O2/PANI纳米复合物为原料,经700℃高温热处理得到锰氧化物/碳纳米复合材料(MC)。微观形貌的观察发现,MC具有碳包覆的纳米块状疏松结构,利于电子/离子的传输。XRD和XPS证实了产物的物质成分与结构。三电极的电化学测试表明,MC的比容提高到440.5 F/g(0.5 A/g),循环5000次后(5.0 A/g),比容保持率达到96.22%。两电极体系测试中,对称型超级电容器在能量密度为8 Wh/kg时,功率密度为400 W/kg。在循环充放电10000次后,该器件保有97.6%的比电容值,证明该器件的循环稳定性出色。将3个简易电容器器件充满电后串联可点亮白色LED灯5 min以上。上述研究证实,通过碳化处理得到的MC具有良好的电化学性能,为制备优秀的电极材料提供了有价值的参考。(3)以界面反应法制得的Mn O2/PANI纳米复合物为原料,与GO水溶液进行水热反应,一步制备锰氧化物/聚苯胺/石墨烯纳米复合材料(MPG)。微观形貌的观察表明,MPG具有富含褶皱的多孔层状结构,使材料有良好的电子/离子传导性,提高了材料的利用率。XRD和XPS证实了产物的物质成分与结构。三电极的电化学测试表明,MPG的比容提高到425.9 F/g(0.5 A/g),循环5000次后(5.0 A/g),比容保持率为80.87%。两电极电化学测试中,对称型超级电容器的能量密度为9.8Wh/kg时,功率密度可达404.6 W/kg。在循环充放电10000次后,该器件仍保持97.1%的比电容值,证明该材料具有出色的循环稳定性。最后将3个简易电容器器件充满电后串联可点亮LED灯5 min以上。以上研究表明,MPG具有良好的电化学性能,进一步增强了基于气-液反应的锰氧化物纳米复合材料在超级电容器领域的应用潜力。
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