二氧化锰电极材料的氧化还原制备及电化学性能研究

以高锰酸钾与乙酸乙酯为起始原料,通过氧化还原反应在85℃温和条件下制得二氧化锰(MnO_2)纳米颗粒,并通过在反应体系中加入碳(C)材料合成了MnO_2/C复合电极材料。实验结果表明,MnO_2在1A/g电流密度下,比电容为212F/g;而添加了2.5mL碳材料的MnO_2/C复合电极材料的比电容达到358F/g;当电流密度增加到4A/g时,MnO_2/C复合电极材料的比电容仍达到234F/g。     

二氧化锰基超级电容器的电荷储能机理研究进展（英文）

碳基材料(如碳纳米管、石墨烯和介孔碳)是典型的电化学双电层超级电容器电极材料。虽然碳基材料表现出优异的电化学稳定性能,但其比电容较低。因此,常用赝电容材料与其复合。赝电容材料中,二氧化锰(MnO_2)因理论比电容高、价格低、储量丰富和环境友好等特点,被广泛应用于超级电容器中。然而,MnO_2导电性能差、在循环充放电过程中相转变严重和体积变化大等问题,导致其在实际应用中常表现出较低的比电容。为了研发高性能MnO_2/碳基超级电容器,必须深入研究其储能机理。因此,本文分析和总结了4种MnO_2材料的电荷储能机理:电解液阳离子的表面吸附机理、电解液阳离子的嵌入-脱出机理、隧道储能机理和电荷补偿机理。虽然电荷补偿机理是涉及阳离子预先插入的MnO_2(A_xMnO_2)材料,但4种机理的本质都是Mn~(3+)和Mn~(4+)之间的相互转化,且由于储能过程复杂,MnO_2基超级电容器储能过程常是几种机理共同作用的结果。最后,对高性能MnO_2/碳基超级电容器的前景进行了展望,对其面临的主要挑战和发展策略进行了总结。     

二氧化锰/聚苯胺(MnO2/PANI)复合电极材料的研究进展

过渡金属氧化物二氧化锰(MnO_2)和导电聚合物聚苯胺(PANI)都是超级电容器中备受关注的两种电极材料。首先介绍了超级电容器材料及其储能机理,并详细介绍了MnO_2电极材料的应用和缺点、PANI电极材料应用和缺点以及MnO_2/PANI二元复合材料的研究进展,最后总结了目前电极材料在超级电容器方面遇到的问题和将来电极材料的发展趋势。     

原位电化学沉积氧化锰及其电化学性能研究

在1M H2SO4溶液中0~2.0V(vs.SCE)电位范围内对碳纸进行循环伏安扫描(CV),得到带有活性位点的功能化碳纸基底,通过循环伏安扫描和恒电流充放电(CP)检测,表明功能化碳纸的电化学活性有了明显提高。以氧化锰(MnO_2)超级电容器电极材料为研究背景,在功能化碳纸表面进行原位电化学制备MnO_2。分别在0.05mol/L、0.10mol/L、0.15mol/L、0.2mol/L、0.25mol/L浓度乙酸锰溶液中制备的0.05M-MnO_2、0.1M-MnO_2、0.15M-MnO_2、0.2M-MnO_2、0.25M-MnO_2电极,通过FT-IR和XRD对MnO_2的结构进行表征,在547.21cm-1处为Mn-O键的吸收峰。在1 637.61cm-1处的吸收峰是以物理吸附水的形式存在于材料中的-OH,在1 421.46cm-1处的吸收峰是以化学吸附水的形式存在于材料中的-OH,说明制得的为MnO_2·nH2O。XRD结果表明,该方法制备的MnO_2为结晶化程度较小的无定型结构。扫面电镜图片显示0.05M-MnO_2电极具有较大的比表面积,比表面积大的结构有利于电解液的储存,从而有效提高了电极材料的储能性能。在0.5 mol/L Na2SO4溶液中进行CV扫描测试、交流阻抗测试(EIS)和CP测试,0.05M-MnO_2电化学活性最强,表现出了最好的电容性能,比电容可达到575F/g。     

负载高性能MnO2@Ni(OH)2核/壳纳米线阵列碳布电极的非对称超级电容器性能研究

通过两步法在碳布(CC)上成功制备MnO_2@Ni(OH)_2核/壳纳米线阵列(NWAs),并应用于柔性全固态非对称超级电容器(ASCs)中。Ni(OH)_2纳米片整齐地包覆在每个MnO_2纳米线上,与纯MnO_2纳米线相比获得了更高的比电容值(在扫描速率为5mV/s时,比电容值为432.8F/g)。该电极材料同时具有良好的循环稳定性,在5A/g下充放电2000圈后,仍保持初始比电容的92.3%。自组装的MnO_2@Ni(OH)_2//MnO_2 ASC具有1.8V的宽电势窗口,输出了高能量密度(69.2Wh/kg)和高功率密度(当54.6Wh/kg时4.5kW/kg)。结果表明,MnO_2@Ni(OH)_2 NWAs以碳布作为柔性基底,拥有高比表面积可以被大规模地应用在超级电容器领域中。     

超级电容器MnO2/CRF复合电极材料的制备及性能的研究

以间苯二酚(R)和甲醛(F)为原料,碳酸钠(C)为催化剂,制备碳气凝胶(CRF),并以KMnO4和Mn(CH3COO)2·4H2O为原料,采用了化学沉淀法制备MnO2/CRF复合材料.用N2吸附、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对所制备的MnO2、CRF和MnO2/CRF复合材料进行了表征,结果表明碳气凝胶具有珍珠串式的无序多孔网络结构,所制备的MnO2为纳米级颗粒,复合材料为纳米级粉体.并对不同配比的MnO2/CRF复合材料的电化学性能进行了研究.循环伏安、恒流充放电实验表明了所制备的MnO2/CRF复合电极材料具有良好的可逆性和充放电性能.当MnO2含量为60%时,MnO2与碳气凝胶复合制成的新型电极材料具有226.3F/g的比电容,比碳气凝胶电极的比电容提高了1倍.此外,对复合电极的循环寿命进行了研究,表明复合电极具有良好的循环充放电性能.     

纳米MnO_2/膨胀石墨复合材料的制备及其电化学性能

采用水热法原位合成二氧化锰(MnO_2)/膨胀石墨(EG)复合材料,利用扫描电子显微镜(SEM)、x-射线衍射仪(XRD)、热重分析仪(TGA)对材料进行表征,并将所制MnO_2/EG复合材料(MEG)作为超级电容器电极,采用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗谱等方法进行电化学性能测试。结果表明,纳米MnO_2沉积填充在EG中,提高了材料导电性和稳定性;与纯MnO_2相比,复合材料不但具有较高的倍率性能,而且在1 000次循环后电容保持率高达100%。     

AC/MnO2/CNTs三元电极材料的制备及其电化学性能研究

以硫酸锰(MnSO_4)和高锰酸钾(KMnO_4)为反应物,以碳纳米管(CNTs)为载体,通过液相合成法制备纳米MnO_2/CNTs复合材料,将其按一定比例与活性炭均匀复合制备AC/MnO_2/CNTs三元复合电极并组装成电容器。采用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对复合材料成分、晶型、形貌进行表征,并通过恒流充放电、循环伏安和交流阻抗测试研究AC/MnO_2/CNTs复合电容器电化学性能。结果表明:复合电容器在1mol/L(NH_4)_2SO_4电解液中具有良好的充放电可逆性,其比电容随MnO_2含量增加呈现先增大后减小的趋势,当MnO_2/CNTs含量为30%时,电容值达到最高,为528F/g。     

循环伏安法制备石墨-MnO_2复合电极及其特性分析

MnO_2是一种广泛用于制作超级电容的重要材料,电化学方法制备的电极材料具有组织均匀等优点。为了提高石墨基体上电沉积的MnO_2的电容值,以硫酸锰和硫酸钠为主要原料,采用循环伏安法在石墨基体上制备MnO_2膜层,采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱(EDS)等研究了扫描速率、扫描次数以及添加硫酸镍对MnO_2膜层电容特性的影响。结果表明:随着扫描次数的增加,MnO_2膜层的电容先增加后下降,随着扫描速率的增大,MnO_2沉积速率先增大后减小,当扫描次数为550次、扫描速率为0.14 V/s时,获得的MnO_2颗粒均匀细小,膜层具有最大的电容;当溶液中硫酸镍与硫酸锰比例为1∶15时,膜层中沉积了MnO_2和NiO,颗粒均匀细小,增大了膜层的电容量。     

共价交联法制备具有优异电容去离子脱盐性能的硼碳氮纳米片/石墨烯复合电极

电容去离子脱盐(CDI)是一种去除水中盐离子的有效方法,具有能耗低、无二次污染等众多技术优势。采用高温固相法合成硼碳氮纳米片材料,其具有比表面积高、电化学稳定性良好等特点,通过与石墨烯材料的共价交联,制备了具有高脱盐量、优异循环稳定性的硼碳氮纳米片/石墨烯复合CDI电极。此结构中,硼碳氮纳米片的高比表面积为盐离子提供了丰富的吸附位点,其优异的电化学稳定性提高了CDI循环性能;石墨烯材料为复合电极构建了电子传输网络,提高了复合电极的导电性。将其与活性炭负极组装成非对称CDI模块,在3 200 mg L~(-1)的盐浓度、1.4 V电压下,脱盐量达到了20.16 mg g~(-1);在1.0 V电压下,经30圈循环,容量保持率达到88.1%。     

钠离子电池铁氧化物/碳基复合材料研究进展

探索高性能、低成本、环境友好型电极材料一直是电化学储能领域的研究重点,其中,铁氧化物(FeO_x:Fe₃O₄、α-Fe₂O₃、γ-Fe₂O₃)作为钠离子电池负极材料具有较大的应用潜力而受到广泛关注。然而,FeO_x的电子和离子传导性较差,限制了循环稳定性和倍率性能,将其与碳基材料(石墨烯、石墨/无定型碳、多孔炭、碳纳米管和碳纳米纤维等)进行复合能够显著改善电化学性能。本文详细介绍了FeO_x/碳基复合材料作为钠离子电池负极材料的研究现状。分析了导致FeO_x负极材料首次库伦效率低、循环稳定性和倍率性能差等问题的原因,以及各复合改性结构的优势,对今后FeO_x/碳基复合材料作为钠离子电池负极材料的研究方向进行了展望。     

不同生物质来源的多孔碳复合碳电极在钙钛矿太阳能电池中的应用

通过将生物质在惰性气体保护下高温热解/活化制备多孔碳材料,具有成本低,工艺简单等优点,并且是一种废物利用,减少环境污染的有效途径。将三种不同生物质通过高温热解/活化制备了多孔碳材料,将其与市售导电碳浆复合制成碳浆料后应用于钙钛矿太阳能电池(PSCs)背电极,研究了不同生物质多孔碳材料的形貌、结构和比表面积等对器件光电性能的影响。结果表明,基于不同生物质多孔碳材料的PSCs的光电性能取决于生物质多孔碳材料的形貌、结晶度、比表面积和形态以及钙钛矿/碳电极的界面接触。基于生物质多孔碳的复合碳电极结合研磨工艺制备的碳基PSCs,由于具有良好的界面性能获得最高10.18%的光电转换效率(PCE)(未复合生物质碳的PSCs的PCE为6.39%),室温下保存60天后,仍保留了初始PCE的96%。     

柔性钛箔上生长的自支撑TiO_2@NiCo_2S_4阵列复合材料用作高性能非对称超级电容器电极（英文）

近年来,随着可穿戴电子技术的出现,制作出质量轻、灵活性强的电子设备也越来越受到人们的重视,相应具有可穿戴功能的高电化学性能的储能设备也备受关注。其中,超级电容器具有循环寿命长、充放电速度快、功率密度高等优点,是一种很有前途的储能设备。因此,柔性超级电容器的设计和生产被认为是满足先进柔性电子设备需求的最有前途的策略之一。鉴于电极材料是影响超级电容器的性能和生产成本的关键因素,因此开发高性能和低成本的电极材料是超级电容器研究的重要内容。在众多研究的电极材料中,双金属化合物因具有较高的理论比电容、较低的成本,对环境相对友好,耐碱腐蚀等优势而引起研究人员的广泛关注。其中,金属硫化物中硫钴镍是一种典型的双金属硫化物。硫钴镍具有理论容量高、电负性较低、电化学活性高、资源丰富易得、无毒、易制备等特点,因此被广泛用于超级电容器的电极材料。硫钴镍虽然具有较高的理论容量,但目前仍面临以下几个严重问题:(1)硫钴镍导电性差,实际电化学比容量低于理论容量;(2)硫钴镍在充放电过程中存在严重的体积膨胀,使得电容器结构被破坏进而造成电容器循环性能的快速衰减。目前的解决办法一般是通过将硫钴镍与各种碳材料、金属氧化物及导电聚合物复合,改善材料的结构、形貌和导电性,以此提高材料的电化学性能。硫钴镍与金属氧化物、硫钴镍与碳材料复合的电极材料在制成超级电容器的电极极片时需要添加导电剂和粘结剂,这不仅增加了电极的成本,而且也使制作环节变得复杂,更重要的是活性物质的外露面积也会因为粘结剂的使用而减小。现在许多研究将导电活性物质直接生长在集流体上形成自支撑结构,这种结构形式既简化了超级电容器电极的制作流程,又提高了电容器的电化学性能。本研究以Ti片为基底,采用分步水热法先在Ti片表面生长TiO_2纳米带阵列,然后在其上包覆生长NiCo_2S_4纳米片,得到NiCo_2S_4纳米片包覆TiO_2纳米带的核/壳阵列结构。将TiO_2@NiCo_2S_4作为超级电容器无粘结剂和导电剂的电极。三电极测试结果表明:1 A·g~(-1)时TiO_2@NiCo_2S_4电极的比电容达到1 300 F·g~(-1)。此外,将煤基多孔碳(CPC)作为负极,TiO_2@NiCo_2S_4作为正极,组装成了TiO_2@NiCo_2S_4//煤基多孔碳(CPC)不对称超级电容器(ASC)。电化学测试结果表明:TiO_2@NiCo_2S_4//CPC不仅具有较高的能量密度和功率密度(在400 W·kg~(-1)时为41.6 Wh·kg~(-1)),而且具有良好的循环稳定性(在4 A·g~(-1)下循环5 000次后,电容保持率大于80%)。这是由于采用多级阵列式结构的复合电极具有以下优势:(1)比表面积大,增大了活性物质和电解液的接触面积;(2)孔道丰富,减少了电解液离子迁移的距离;(3)避免了使用传统电极制作过程中导电剂和粘结剂,减少了生产成本、缩短了加工时间。这种交织的三维(3D)网络结构和柔性衬底的设计为获得高性能柔性衬底电极材料提供了新方法。     

组合法制备MnO_2/活性碳复合电极材料及其电化学性能研究

在不同温度的反应釜中使KMnO_4与MnCl_2进行反应并掺杂活性碳,然后组合球磨工艺制备了超级电容器复合电极材料。XRD揭示MnO_2/活性碳复合物低于140℃烧结5h为水合非晶态,而165℃烧结时,开始呈现弱的衍射峰。通过SEM分析得出电活性复合物形貌呈现为细小环绕微纳米晶须球状。采用循环伏安、怛流充放电及阻抗谱测试MnO_2/活性碳复合电极的电化学性能。当扫描速率为10 mV/s时,MnO_2/活性碳复合电极的比电容值达365F/g且等效串联电阻值仅为1.32Ω。经3 000次循环后复合电极的比电容值仅下降约6%。     

基于化学储能应用的后过渡金属氧化物合成、改性

储能技术是解决化石能源短缺的重要途径之一,化学储能具有环境污染少、使用方便和不受地域限制等不可比拟的优势,近年来在学术界和工业界都越来越受到人们的重视。开发高比容量、良好循环稳定性、低成本以及环境友好的高活性电极材料是目前化学储能的当务之急。综述近年来用作化学储能器件的后过渡金属氧化物电极材料的合成、改性,即主要通过碳层包覆、与低维碳材料复合和形貌结构调控等途径,提高化学储能器件的性能。     

溶胶-凝胶法制备掺镧改性纳米MnO2

采用溶胶-凝胶法制备出掺镧纳米MnO_2活性电极材料,分别研究了酸处理、温度及硝酸镧含量对掺镧纳米MnO_2的形貌与性能的影响。结果表明:酸化与掺镧是有效提升纳米MnO_2电化学活性的手段,酸化可以减小颗粒尺度,提高松散程度,掺镧可以优化纳米MnO_2晶型结构,提升比电容;在焙烧温度为300℃,硝酸镧和乙酸锰的摩尔比为0.09∶1时,制备的纳米MnO_2电极材料的比电容最大,且充放电过程一致性较好。     

碳质材料对磷酸铁锂正极材料物理和电化学性能的影响

通过综述碳质材料对磷酸铁锂(LiFePO4)电极材料物理和电化学性能的影响,评述了碳质材料在不同LiFePO4/C复合电极材料中的作用及其优缺点.指出:炭膜的原位包覆和模板炭的引入,限制了LiFePO4晶粒的生长,进而提高了电极材料的电导率;而导电炭和石墨烯的引入,则是直接提高了电极材料的电导率;有机结合这两种碳质材料的复合方式将会极大改善电极材料的电化学性能.但是,为了提高电极材料的体积能量密度及其振实密度,应该最大限度地降低碳质材料在LiFePO4/C复合电极材料中的含量.     

过渡金属硒化物超级电容器高性能电极材料的研究进展

过渡金属硒化物具有较高的电导率,并且硒具有低电负性使较弱的金属-硒键更有利于氧化还原反应的发生,是潜在的超级电容器高性能电极材料。本文首先介绍了目前过渡金属硒化物主要的制备方法,然后阐述了提升其电化学性能的优化策略。一方面对制备方法进行优化,通过调控反应物时间、反应温度、电解液组成等因素,调控电极材料的形貌和结构,来提高离子传输效率;另一方面通过(1)二元过渡金属成分的调配,(2)与碳基材料进行复合,以及(3)结构的调控制备高性能电极材料,以提高其电化学性能。最后对其发展前景和重点发展方向进行了展望。     

胶体法制备60%RuO2-AC复合电极材料及其性能

通过改进后的胶体法制备了60%(质量分数)RuO2-活性碳(AC)复合电极材料,然后在不同的温度下烧结6 h。采用电化学工作站对该复合电极进行了循环伏安、恒流充放电及交流阻抗测试,用SEM、EDS及XRD对不同温度烧结后复合材料的形貌结构进行表征。结果表明:240℃烧结后复合电极的比电容最大,其值为445 F/g,且充放电性能良好;复合电极的阻抗值在240℃以下时随烧结温度的升高呈递减趋势,高于此温度后略有增大;复合电极材料在240℃烧结后呈细小均匀的水合RuO2粒子,分布在碳基体上;复合电极材料中的RuO2保持非晶结构,高于270℃后有较多的晶体相生成;改进后的胶体法制备的复合电极在240℃烧结后电化学性能较优良。     

g-C_3N_4/MnO_2复合光催化剂的制备及可见光下降解四环素性能

通过原位生长法制备了g-C_3N_4/MnO_2复合光催化剂,利用XRD,FTIR和UV-vis DRS等方法表征材料的结构和光学性质,并考察在可见光照射下降解四环素的性能。结果表明,MnO_2的引入增强了g-C_3N_4对可见光的吸收;g-C_3N_4/MnO_2复合材料的光催化活性较单体得到提升,在可见光照射90 min内对TC降解率可达77.1%,经过5次循环实验后,对TC的降解率仅下降4%,复合材料具有良好的稳定性;机理研究表明,·O~(2-)是反应体系中的主要活性物质,g-C_3N_4与MnO_2之间形成了Z型异质结,促进了光生电子-空穴的转移,提高了光催化活性。