MnO2基电容电极复合材料制备及应用研究

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来源广泛、成本低廉、环境相容性好的二氧化锰材料理论赝电容值高(1380g/F),作为电容电极材料极具发展和应用前景。但其较差的电导率、质子-离子传输和晶粒易堆叠造成较少的活性面积,严重限制了其本征电容的充分利用,为此,研究低成本、高吸附量、稳定和大比表面积的电容去离子技术电极设计和实用研究以去除水体中的铅离子和水系高电容、廉价、长寿命和高效的超级电容器电极材料的可控构筑开发为目标,选择适宜精确控制和易于工程应用的电沉积方法进行制备。具体采用泡沫镍为载流体,以金属元素(Co、Mo)掺杂引入缺陷和调控MnO2的方法改进MnO2沉积层性能,提出引入与PANI性质相似的2,5-二甲氧基苯胺(PDMA)聚合膜或和颗粒铜耦合作为MnO2一体化电容电极的中间层,以设计改良MnO2电极纳米结构,制造孔道网络促进扩散,改进导电网络,以促进MnO2电容电极综合性能的改善,以推动MnO2电容电极在两者应用中的进一步发展。论文主要取得的结果和结论为:(1)采用两步阳极电沉积法制备CDI电极。在泡沫镍集流体上设计构筑出两层结构的NF/PDMA/MnO2-Co电极。添加PDMA底层之后,能显著改变MnO2-Co层的生长取向,形成了交联纳米绒毛形态,且部分区域聚集成团的特殊结构,这使得复合电极的电容性能和电吸附性能显著增加。NF/PDMA/MnO2-Co电极的比电容可达208.8 F/g,与NF/MnO2-Co电极和NF/PDMA电极相比,电容分别提高了305.4%和94.2%,相应的去除率分别提高了2.05、1.31倍,可达41.8%。复合电极对Pb2+电吸附的吸附动力学拟合表明,吸附过程受物理、化学吸附混合控制,且受离子的传质和孔隙内扩散限制。经过4次吸/脱附循环,NF/PDMA/MnO2-Co电极对Pb2+的去除率虽然降低了13.7%,但仍拥有最高的去除率36%(吸附量51.7 mg/g)。(2)采用三电极体系分步电沉积,设计了三层结构的NF/Cu/PDMA/MnO2-Co-Mo电极,表层MnO2-Co-Mo显示出垂直生长的交联纳米片和沟壑网络形态,有利于电解质渗透、扩散和离子-电子传输。EIS表明三层复合电极具有高的导电性和离子扩散迅速的特性。NF/Cu/PDMA/MnO2-Co-Mo电极在1 A/g时电容值高达432.22 F/g,比NF/MnO2-Co-Mo和NF/Cu/MnO2-Co-Mo电极高出6.09倍和1.86倍,即便在高电流密度7.5 A/g时电容可保持75.1%。2000次冲/放电循环后三层电极仍有73%的保留率。循环稳定性降低的原因应在于多次迅速充/放电的Faraday反应,引起MnO2-Co-Mo表层的腐蚀,纳米片结构出现坍塌,导电网格产生损毁。
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