镍/碳复合体和改性MnO2的合成及电化学性能研究

论文摘要

贵金属Ru02作为超级电容器电极材料,电化学性能良好,比容量高。但由于其价格昂贵,准电容器的应用受到了很大限制。MnO2资源丰富,价格低廉且其电容性能与Ru02等贵金属相似,是最有可能取代RuO2的廉价金属氧化物。本文采用XRD、 SEM和电化学测试等方法对合成的镍/碳复合体和改性MnO2材料进行表征,主要内容如下：共沉淀法合成镍/碳前驱体,在600℃下热处理得到镍/碳复合体,其电化学稳定性能比较好,比容量较大,可逆性好。在25.5°时出现石墨峰,随着温度的升高,峰变得尖锐,复合体颗粒的尺寸在0.5-2μm之间,分散性良好。随着K2CO3量的变化,复合体的比容量呈现先增加后减小的趋势；在量为0.5g时,循环伏安曲线的感应电流较大,扫描面积最大,比容量较大。恒电流充放电过程中,随着电流密度的增大,比容量呈减小趋势,材料充放电性能好,内阻较小,在电流密度为0.5A/g时,电极比容量仍可达90F/g。羧甲基纤维素可以使前驱体溶液分散均匀,反应充分接触,有利于电极材料保持高比容量、循环稳定性和良好的电化学性。以KMnO4和MnCl2-4H2O为前驱体,采用共沉淀法合成纳米结构MnO2电极材料。添加一定量的FeCl3-6H2O对Mn02进行改性。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等方法对MnO2的结构和形貌进行表征；利用循环伏安法、恒流充放电等测试方法研究了Mn02电极材料在lmol/L KOH电解液中的电化学行为。结果表明,FeCl3-6H2O大大影响Mn02的结构和形貌。随着Fe:Mn摩尔比的增加,MnO2从7-Mn02晶型转变为层状结构,形貌由片状转变为直径约100nm的球形,并且Fe改性MnO：的电化学性能明显提高。当添加FeCl3-6H2O的量为5%（Fe与Mn的摩尔比）时,在1A/g电流密度下,Mn02电极的比容量为279F/g。通过液相共沉淀反应,添加硫酸亚铁铵[Fe（NH4）2（SO4）2-6H2O]改性合成MnO2材料。随着硫酸亚铁铵添加量的增加,XRD和SEM测试表明,材料的晶型由y-MnO2变为a-Mno2；形貌由片状和棒状的混合结构逐渐变为纳米棒状,平均粒径为75nm左右,长度为0.8-2μm。电化学测试表明,随着反应时间的变化,材料比容量先增大后减小,以样品添加量为10%,回流时间1h时的比容量最大,在电流密度为1A/g下,比容量仍可达247F/g。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 超级电容器综述
• 1.1.1 超级电容器的发展过程
• 1.1.2 超级电容器的特点
• 1.1.3 超级电容器的结构组成
• 1.2 超级电容器的原理
• 1.2.1 电层电容器
• 1.2.2 法拉第准电容器
• 1.2.3 混合电容器
• 1.3 超级电容器电极材料的研究现状
• 1.3.1 碳基材料
• 1.3.2 过渡金属氧化物
• 1.3.3 导电聚合物和复合材料
• 1.4 过渡金属/碳复合体的研究进展
• 2电极材料的研究进展'>1.5 超级电容器MnO₂电极材料的研究进展
• 2的结构及晶型'>1.5.1 MnO₂的结构及晶型
• 2的合成方法'>1.5.2 MnO₂的合成方法
• 2的机理及改性'>1.5.3 MnO₂的机理及改性
• 1.6 本文的选题背景与研究内容
• 1.6.1 选题背景
• 1.6.2 研究内容
• 2 实验方法及测试原理
• 2.1 实验所用药品及仪器设备
• 2.2 材料的理化性质的表征方法
• 2.3 电极的制备及电化学性能测试
• 3 镍/碳复合体的制备及电化学性能研究
• 3.1 镍/碳复合体的制备
• 3.2 复合体电极片的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 热处理温度对电极材料的影响
• 2CO₃添加量对材料电化学性能的影响'>3.3.2 K₂CO₃添加量对材料电化学性能的影响
• 3.3.3 羧甲基纤维素对材料电化学性能的影响
• 3.4 本章小结
• 3改性MnO₂材料的制备及其电化学性能研究'>4 FeCl₃改性MnO₂材料的制备及其电化学性能研究
• 3改性MnO₂材料的制备'>4.1 FeCl₃改性MnO₂材料的制备
• 4.2 实验结果与讨论
• 3百分比对改性MnO₂材料性能的影响'>4.2.1 FeCl₃百分比对改性MnO₂材料性能的影响
• 4.2.2 合成方法对材料电化学性能的影响
• 4.2.3 回流时间对电极材料性能的影响
• 2材料性能的影响'>4.2.4 不同电解液对MnO₂材料性能的影响
• 4.3 本章小结
• 2纳米棒的合成及性能研究'>5 硫酸亚铁铵改性MnO₂纳米棒的合成及性能研究
• 2材料的制备'>5.1 改性MnO₂材料的制备
• 5.2 实验结果与讨论
• 2+盐为还原剂对改性MnO₂电化学性能的影响'>5.2.1 不同Mn²⁺盐为还原剂对改性MnO₂电化学性能的影响
• 5.2.2 硫酸亚铁铵添加量对电极材料性能的影响
• 5.2.3 回流时间对电极材料性能的影响
• 5.2.4 不同扫电解液对电极材料性能的影响
• 5.2.5 不同扫描速度对电极材料性能的影响
• 5.3 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 全文结论
• 6.2 目前问题及以后研究的建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢