基于納米碳材料和二氧化錳的超電容電極材料研究.pdf

1、電化學(xué)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件，具有高的能量密度和功率密度、長時(shí)間的循環(huán)穩(wěn)定性，環(huán)境友好等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。電極材料作為電化學(xué)電容器的關(guān)鍵組成部分，對(duì)其電容性能的影響非常重要。開發(fā)具有高比電容的電極材料，是提高電化學(xué)電容器功率特性的有效方法。本論文以制備價(jià)格低廉、高能量密度和功率密度的電化學(xué)電容器電極材料為目的，采用不同的合成方法，制備多孔碳、二氧化錳等電極材料，并通過多種材料表征技術(shù)和電化學(xué)分析方法考察他們的形貌、結(jié)構(gòu)以

2、及電化學(xué)電容行為。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)以類沸石金屬有機(jī)骨架材料(ZIF-9)為前驅(qū)體，經(jīng)高溫碳化、酸刻蝕制備納米多孔碳(NPCs)。通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射技術(shù)(XRD)、比表面積和孔隙度分布儀對(duì)NPCs的微觀形貌和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并在1 M H2SO4電解液中，采用循環(huán)伏安、恒流充放電分析技術(shù)對(duì)其電化學(xué)電容性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：NPCs的平均粒徑為600 nm，比表面積為693 m2 g-1，孔道結(jié)

3、構(gòu)主要以介孔為主。NPCs電極不僅顯示較高的比電容值，在2 A g-1的電流密度下，電容值可達(dá)259.2 F g-1；而且具有優(yōu)良的功率性能，當(dāng)掃描速度從2 mV s-1增至100 mV s-1時(shí)，NPCs電極的電容量保持率為71.10％。此外，NPCs電極在電流密度為10 A g-1的測(cè)試條件下，循環(huán)4000次后，其比電容值并沒有明顯的降低，顯示出優(yōu)良的長期循環(huán)穩(wěn)定性。
　　(2)MnO2納米管(MnO2 NTs)與離子液體修飾

4、的碳管(IL/CNTs)相結(jié)合，制備MnO2 NTs-IL/CNTs復(fù)合物。通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射技術(shù)(XRD)對(duì)MnO2 NTs微觀形貌和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并在0.5 M Na2SO4電解液中，采用循環(huán)伏安法和恒流充放電法對(duì)MnO2 NTs-IL/CNTs電化學(xué)電容性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：MnO2 NTs-IL/CNTs復(fù)合物電極與MnO2 NTs相比，具有更高的電容值和良好的功率特性。當(dāng)電

5、流密度為1 A g-1時(shí)，電容值可達(dá)254.6 F g-1；當(dāng)掃描速度從2 mV s-1增加到100 mV s-1時(shí)，MnO2 NTs-IL/CNTs與MnO2 NTs電極的電容量保持率分別為65.38%和40.28%。再者，MnO2 NTs-IL/CNTs電極具有良好的長時(shí)間充放電循環(huán)穩(wěn)定性，在4 A g-1的電流密度下，經(jīng)2000次循環(huán)后，其容量保持率為94.40%，高于MnO2 NTs電極。
　　(3)提出一種新穎的固相研磨

6、/低溫煅燒的方法，以蘋果酸為碳源，在二氧化錳納米棒的表面包覆納米級(jí)的無定形碳層，制備碳包覆二氧化錳納米棒(MnO2@C NRs)。通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射技術(shù)(XRD)、比表面積和孔隙度分布儀對(duì)MnO2@C NRs的形貌和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并在0.5 M Na2 SO4電解液中，采用循環(huán)伏安法和恒流充放電法對(duì)其電化學(xué)電容性能進(jìn)行研究。分析結(jié)果表明：碳層均勻的包覆在MnO2 NRs表面，且厚度為3

7、 nm；同時(shí)，碳包覆不會(huì)對(duì)MnO2 NRs的晶型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。MnO2@C NRs電極不僅具有優(yōu)良的電容性能，在2 A g-1的電流密度下，其比電容值為246.6 F g-1；而且具有優(yōu)異的功率特性，當(dāng)掃描速度從2 mV s-1增至100 mV s-1時(shí)，MnO2@C NRs和MnO2 NRs電極的電容量保持率分別為69.13%和50.18%。另外，MnO2@C NRs電極還具有優(yōu)異的充放電循環(huán)穩(wěn)定性，在電流密度為10 A g-1的測(cè)試