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碳纳米管/氧化锰纳米复合电极材料的制备及其电容性质研究

作　者: 蔡健炜
导　师: 刘宗怀
学　校: 陕西师范大学
专　业: 无机化学
关键词: 氧化锰纳米层功能化碳纳米管组装电极材料电容量
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

新能源的开发和利用是解决能源危机的有效手段之一,而新型储能技术对新能源的发展起到关键作用。电化学电容器,亦称为超级电容器,是一种新型的能量存储设备,其性能介于电池和传统电容器之间。但是超级电容器低的能量密度低和容量小的弊端是制约其发展的瓶颈,而开发高容量超级电容器电极材料是解决该瓶颈的有效手段之一。过渡金属氧化物电极材料由于具有电容量高,可逆性和循环稳定性好的等特点而受到关注,其中氧化锰材料由于其资源丰富、成本低、具有良好的电容量以及对环境友好等特点,是目前研究最多的超级电容器用电极材料之一。虽然氧化锰材料是超级电容器电极材料候选材料之一,但是其半导体特征使得作为超级电容器电极材料产生了导电性差的问题。纳米复合材料组装基元之间的协同效应,使得制备材料产生了基元材料所不具备的新颖性能,而广泛应用于光学、电学、磁学及生物传感器等领域,受到了研究者的关注。由于这种协同效应可以弥补单个组分的不足之处,甚至产生原来组分所不具有的优异特性,因此复合材料作为超级电容器电极材料也成为研究热点之一。因此,本研究选用电容量大的氧化锰和导电性好的碳纳米管为组装基本单元,利用组装单元各组分间的协同效应,通过向氧化锰主体材料中引入导电性能优良的碳纳米管,期待达到使制备材料不仅具有高的电容量,而且具有优良的导电性能而用作超级电容器电极材料。论文研究工作分为三部分：综述、纳米电极材料的制备及电化学性质研究。第一章主要论述了层状氧化锰材料和碳纳米材料的分类、结构、性质、制备以及应用,电化学电容器的原理,电极材料以及电化学性质表征技术,提出了论文的选题目的、意义、研究内容和创新点；第二章阐述了在制备前驱体层状氧化锰纳米层以及功能化碳纳米管实验基础上,通过絮凝方法组装制备了氧化锰/碳纳米管超级电容器用纳米层状电极材料；第三章研究了制备的氧化锰/碳纳米管超级电容器用纳米层状电极材料的电化学性质；第四章研究了碳纳米管/氧化锰纳米线状电极材料的制备、电化学性质以及组装行为。主要研究内容为：(1)组装单元氧化锰纳米片层和功能化碳纳米管的制备。首先参照文献制备钠型层状氧化锰,将所得的钠型层状氧化锰加入到酸溶液中进行离子交换处理,得到氢型层状氧化锰。将氢型层状氧化锰分散在四甲基氢氧化铵水溶液中,搅拌,所得悬浊液离心处理,下层沉淀物再次分散于去离子水中,得到组装单元二氧化锰纳米层分散液。将碳纳米管置于混酸溶液中,加热回流。所得产物经去离子水洗涤数次至中性,真空干燥得到羧基化碳纳米管。以甲苯作为溶剂,将羧基化碳纳米管加入到二氯亚砜,继续加入N,N-二甲基乙二胺,室温反应得到叔胺基团功能化碳纳米管。将叔胺基团功能化碳纳米管加入到含有碘甲烷的丙酮溶液中,室温反应,所得产物去离子水洗至中性,真空干燥后即可得到季胺基团功能化的碳纳米管组装单元。(2)将带正电功能化碳纳米管(1mg mL-1)和带负电氧化锰纳米片层(1mg mL-1)分散液按照一定质量比混合搅拌,并进行超声处理,将所得絮凝产物用去离子水洗涤、离心分离、冷冻干燥,借助于静电引力作用组装制备碳纳米管/氧化锰纳米层状电极材料(CNTS-MnO2)。碳纳米管的存在将有效阻止剥离氧化锰纳米层重组,使得氧化锰纳米层在组装材料中以无定形的剥离态存在。碳纳米管随机分布在氧化锰纳米片层上,形成一种多孔而蓬松层状结构。(3)氧化锰纳米线束超声分散在水中,与羧基化碳纳米管在水热处理条件下组装,制备具有较高取向性的碳纳米管/氧化锰纳米线状材料。碳纳米管/氧化锰纳米线状复合材料形貌显示,其线束长度大于50μm,半径在20～50nm之间。羧基化碳纳米管具有的亲水性质改变了层状氧化锰纳米线束与水的接触角,碳纳米管随机分散缠绕在氧化锰纳米线束上,导致制备材料没有出现明显的团聚现象。(4)以制备的碳纳米管/氧化锰纳米层状材料和碳纳米管/氧化锰纳米线状材料为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,辅助电极采用铂电极,采用三电极测试系统对制备材料电极进行了循环伏安测试和阻抗测试。碳纳米管/氧化锰纳米层状电极在扫速为5mVs-1mol L-1Na2SO4电解液中的比电容为285F g-1,显著大于碳纳米管材料(58F g-1)和氢型层状氧化锰材料(157F g-1)的电容量。同时,制备电极具有较好的容量保持率和循环稳定性,扫速为100mV s-1时的容量为151F g-1,循环1000圈后的容量保持率为88%。而碳纳米管/氧化锰纳米线状材料电极在5mV s-1扫速下的电容值为178F g-1。复合材料中碳纳米管的存在有利于制备材料在高扫速的容量保持性能,其容量保持率显著优于氧化锰纳米线束材料。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第1章绪论  11-37
  1.1 前言  11-12
  1.2 层状氧化锰  12-20
    1.2.1 层状氧化锰的结构和性质  13-14
    1.2.2 层状氧化锰的制备  14-17
    1.2.3 层状氧化锰的剥离  17-19
    1.2.4 层状氧化锰的应用  19-20
  1.3 碳纳米材料  20-23
    1.3.1 碳纳米材料的分类  20-21
    1.3.2 碳纳米材料的结构和性质  21-22
    1.3.3 碳纳米材料的应用  22-23
  1.4 电化学电容器  23-27
    1.4.1 电化学电容器原理  23-24
    1.4.2 电化学电容器电极材料  24-26
    1.4.3 电化学电容器表征技术  26-27
  1.5 纳米复合材料  27-34
    1.5.1 纳米复合材料概述  27-28
    1.5.2 纳米复合材料的制备技术  28-33
    1.5.3 氧化锰纳米复合材料的制备及应用  33-34
  1.6 选题目的与研究内容  34-37
    1.6.1 选题目的和意义  34-35
    1.6.2 论文的研究内容  35-36
    1.6.3 论文的创新点  36-37
第2章絮凝技术制备碳纳米管/氧化锰纳米复合电极材料  37-47
  2.1 引言  37-38
  2.2 实验部分  38-41
    2.2.1 试剂  38
    2.2.2 氢型层状氧化锰的制备  38-39
    2.2.3 氢型层状氧化锰的剥离  39
    2.2.4 功能化碳纳米管的制备  39-40
    2.2.5 碳纳米管/氧化锰纳米层状电极材料的制备  40
    2.2.6 分析与表征  40-41
  2.3 结果与讨论  41-46
    2.3.1 碳纳米管/氧化锰纳米层状电极材料的结构  41-43
    2.3.2 碳纳米管/氧化锰纳米层状材料的形貌  43-45
    2.3.3 碳纳米管/氧化锰纳米层状材料生成过程  45-46
  2.4 结论  46-47
第3章碳纳米管/氧化锰纳米层状电极材料的电化学性质研究  47-57
  3.1 引言  47
  3.2 实验部分  47-50
    3.2.1 电极的制备  47-48
    3.2.2 电化学性质分析与表征  48-50
  3.3 结果与讨论  50-56
    3.3.1 碳纳米管/氧化锰纳米层状电极的循环伏安曲线  50-52
    3.3.2 不同扫速下碳纳米管/氧化锰纳米层状电极的循环伏安曲线  52-54
    3.3.3 碳纳米管/氧化锰纳米层状电极的循环稳定性和交流阻抗  54-56
  3.4 结论  56-57
第4章碳纳米管/氧化锰纳米线束复合电极材料的制备及其电化学性质研究  57-67
  4.1 引言  57-58
  4.2 实验部分  58-59
    4.2.1 试剂与原料  58
    4.2.2 层状氧化锰纳米线束材料的制备  58
    4.2.3 碳纳米管/氧化锰纳米线状电极材料的制备  58-59
    4.2.4 分析与表征  59
    4.2.5 电容性质测试  59
  4.3 结果与讨论  59-65
    4.3.1 制备产物的晶相及形貌  59-61
    4.3.2 制备产物的气体吸附  61-62
    4.3.3 制备产物的电容性质  62-64
    4.3.4 碳纳米管/氧化锰纳米线状复合材料组装过程  64-65
  4.4 结论  65-67
第5章结论  67-69
参考文献  69-79
致谢  79-81
攻读硕士学位期间的科研成果  81

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