MnO2/C复合材料的制备及电化学性能的研究

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超级电容器具有功率密度大、循环寿命长和环境友好等优点,其作为一种新型的电化学储能装置正备受人们的关注,而电极材料是制约超级电容器性能的核心因素之一。本文对MnO2/C复合材料进行了探索,通过水热法和回流法制备了不同形貌和结构的MnO2/C电极材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、恒电流充放电法(GCD)、循环伏安法(CV)和交流阻抗法(EIS)系列测试对MnO2/C复合材料的物理化学性质及电化学性能进行了研究。主要取得如下几方面的结论:  1.以β环糊精为碳源及水热条件制备出球状的碳材料,之后采用水热法并借助 KMnO4与 C之间的反应制备出 MnO2/C复合材料。考察了原料比(KMnO4/C)、水热温度及反应时间对材料性能的影响。结果表明:CKM(2:3,20 h,160℃)性能最优,在6 moL L-1的KOH电解液中,0.2 A g-1的电流密度下,比电容为217 F g-1,能量密度和功率密度分别为7.2Wh kg-1和159.9W kg-1,经过3000次循环后,其材料的容量保留率为75%。  2.以β环糊精为碳源及水热条件制备出球状的碳材料并将其碳化处理,之后采用水热法并利用KMnO4与C之间的反应制备出MnO2/C复合材料。考察了原料比(KMnO4:C)对材料性能的影响。结果表明:CSMNs2(物料比2:1)性能较优,在6 moL L-1的KOH电解液中,2 mV s-1的扫描速率下,比电容为303 F g-1,在电流密度为0.5 Ag-1的条件下,能量密度和功率密度分别为18.7Wh kg-1和961.7W kg-1,3000次循环后,容量维持率可高达97%,体现出极好的循环稳定性。  3.以β环糊精为碳源及水热条件制备出球状的碳材料,并将其进行碳化和酸化处理,之后采用回流法借助KMnO4与C之间的反应制备出核壳结构的C@MnO2复合材料,考察了反应时间对材料性能的影响。结果表明,HCM-2(反应时间2 h)性能较优,在6 moL L-1的KOH电解液中,0.2 A g-1电流密度时,能量密度和功率密度分别是14.2 Wh kg-1和96.9 W kg-1,在3000次循环后的保留率为88%。同时,实验证明此制备方法简单,材料的形貌可控。  总之,以β环糊精为碳源制备出球状的碳材料,采用水热和回流法并利用KMnO4与C之间的反应得到不同形貌和结构的MnO2/C复合材料,可以将其作为超级电容器的电极材料。
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