掺杂二价铜的锰、锌氧化物和聚苯胺电极材料的研究

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目前,随着经济的快速发展,人类对能源的需求量与日俱增,由此带来的环境污染问题也日益严重。越来越多的科研人员致力于开发可以循环使用的新型无污染能源。超级电容器因具有快速的充放电时间和较长的循环寿命等优越的性能备受关注,其电极材料可分为双电层电容材料和赝电容材料。本文研究了铜离子掺杂金属氧化物(二氧化锰、氧化锌)和导电聚合物(聚苯胺)两类赝电容电极材料的电化学性能,并对电极材料进行了FTIR、XRD、SEM、TEM、EDS和氮气吸脱附等表征测试,主要内容如下:1.采用水热法分别制备了以泡沫镍为导电基底的铜离子掺杂二氧化锰、氧化锌材料。(1)首先改变反应物高锰酸钾与硫酸锰的摩尔比,研究表明当两者的摩尔比为3:1时,制得的二氧化锰电化学性能较好,在1 A·g-1电流密度下比电容为335.6 F·g-1,循环1500次后电容保持率为98.7%。在此基础上进行铜离子掺杂,当高锰酸钾和硫酸锰物质的量分别为4.5和1.5 mmol时,掺杂0.25 mmol铜离子,得到的Cu(Ⅱ)-MnO2材料电化学性能比单一的二氧化锰更好,在1 A·g-1电流密度下比电容为636.3 F·g-1,循环1500次后电容保持率为105.01%。(2)当醋酸锌为4.0 mmol、铜离子的掺杂量为0.4 mmol时,制得的铜离子掺杂氧化锌材料电化学性能较好,在1 A·g-1电流密度下,比电容达331.5 F·g-1,循环1500次后电容保持率为77.1%,相比单一氧化锌(比电容122.1 F·g-1,电容保持率70.4%)均有所增大。2.采用简单的化学方法制备了铜离子掺杂聚苯胺材料。通过研究发现,混合0.2mol·L-1过硫酸铵溶液的1 mol·L-1盐酸体积为25 mL及过硫酸铵与苯胺物质的量比为1:1(分别为2.5 mmol)时,制得的聚苯胺电化学性能最好,在1 A·g-1电流密度下,其比电容为286.4 F·g-1,循环1000次后电容保持率为25.6%。在此基础上掺杂铜离子,在苯胺的物质的量为2.5 mmol的条件下,当铜离子的掺杂量为1.0 mmol时,获得的Cu(Ⅱ)-PANI材料电化学性能略好于单一聚苯胺,在1 A·g-1电流密度下,比电容为302.2F·g-1,循环测试后电容保持率为33.3%。实验结果表明,铜离子掺杂使二氧化锰和氧化锌电极材料的电化学性能均有提高,而对聚苯胺电极材料的性能影响并不显著。
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