水热合成锰氧化物纳米材料及其电化学性能研究

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随着经济和人口的不断增长,人们对能源的需求也不断提高,能源短缺成为科学家们重点关注的问题。超级电容器,也被称作电化学电容器,因具有出色的能量密度和倍率性、良好的循环寿命以及安全的操作性,开始受到科学家们越来越多的关注和重视。电极材料作为超级电容器中重要的组成部分,其性能的优劣直接影响着超级电容器的最终性能和应用前景。锰氧化物类别丰富,价格低廉,存在着多个化学价态,理论比电容值高,是一种很有应用前景的电极材料。本文采用水热法制备不同形貌的纳米锰氧化物,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和射透射电镜(TEM)等表征方法对合成的材料进行结构和形貌的分析研究,并结合电化学工作站的测试结果讨论表面形貌等微观结构对电化学性能的影响。主要研究内容和结果如下:(1)通过调节氧化剂的浓度、反应时间来控制二氧化锰的形貌,合成一维带状与棒状结构的α相二氧化锰纳米材料和中空结构的二氧化锰纳米海胆材料。相比于纳米带和纳米棒,中空结构形貌可提供更大的比表面积与更多电活性位,有序、均匀的纳米线有利于缩短带电粒子扩散路径,降低材料内阻,促进了赝电容反应,测得其比电容值高达211.1 F g-1,并且经过1000次循环后,剩余电容值为93.6%。(2)以FeCl3为金属源,水热合成铁离子掺杂的二氧化锰纳米材料。Fe3+作为结构导向剂将原有的片状结构纳米花转变为针状纳米结构,并未改变二氧化锰原有的晶体结构。Fe3+均匀分散在纳米针外部,有效提高电极材料的导电性,降低材料内部阻抗,提高了电化学性能。掺杂Fe3+的二氧化锰比电容值为257.6 F g-1,经过1000次充放电循环测试,残余电容值为94.7%。(3)以Co(NO32·6H2O作为添加剂,成功合成棒状结构的MnCo2O4纳米阵列。该材料的介孔特性有效缩短了电荷扩散路径,增大比表面积,提供了更多的电活性位,高效的电荷储存机理使其拥有更出色的电化学性能。在KOH碱性电解液中,1 A g-1电流密度下,测得比电容高达662.5 F g-1,经过3000次循环测试后,残余电容值高达94.2%,展现出优异的电化学性能以及循环稳定性。
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