纳米二氧化锰的制备及其电容性能研究

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二氧化锰作为传统的电极活性材料应用相当广泛。由于纳米二氧化锰材料具有特殊的物理化学性能,因而其电化学性能更为优异。超级电容器是有着广阔应用前景的新型储能器件,对其电极活性材料的研究是目前的热点之一。本文主要研究了纳米二氧化锰材料的制备和电容性能。采用溶胶凝胶法、水热法和室温液相法分别制备了不同的二氧化锰纳米材料,并通过X射线衍射分析(XRD)、透射电子显微分析(TEM)、比表面分析(BET)、循环伏安(CV)以及恒电流充放电等多种测试表征技术对所制样品的物理化学性能和电化学性能进行了系统的研究。柠檬酸溶胶凝胶合成法中,柠檬酸和醋酸锰的摩尔比为0.5:1,不加硝酸钾,反应体系的pH值为6,300℃焙烧干凝胶,并且将所得锰氧化物用稀硫酸酸化处理,最终产物为有一定程度团聚的二氧化锰纳米纤维。此样品在0.5 mo1·L-1Na2SO4溶液中,-0.150.85V(vs. SCE)电位范围内,以66.5 mA·g-1恒电流充放电时,放电比容量为133.58 F·g-1。水热合成中,KMnO4和MnSO4在较低摩尔比下反应后主要得到隧道结构的α-MnO2;较高摩尔比时产物主要为层状结构的δ-MnO2,后者的其层状结构更有利于H+或Na+的嵌入和脱嵌,因此其电容性能较好。KMnO4和MnSO4在起始摩尔比为1:1时,120℃水热反应6h后,制得直径约2030nm,长1μm左右的均匀α-MnO2纳米棒。KMnO4和MnSO4的摩尔比为3:1,120℃水热反应2h时,所得样品为纳米尺度的花状薄片,它属于层状结构的δ-MnO2。样品结晶性较差,平均粒径约为8.3nm,在0.5 mo1·L-1Na2SO4溶液中,-0.21.0V(vs. SCE)电位范围内,以70mA·g-1恒流充放电测得其比容量为259.19 F·g-1。摩尔比4:1的KMnO4和MnSO4经室温液相反应制得的无定型δ-MnO2材料。在0.5 mo1·L-1Na2SO4溶液中,-0.21.0V(vs. SCE)电位范围内,以94mA·g-1恒电流充放电时,此二氧化锰材料的比容量达290.03 F·g-1;1880mA·g-1恒电流充放电时,比容量仍为195.49 F·g-1。循环寿命测试中(375mA·g-1的恒定电流充放电测试),首次放电比容量最大,达227.84 F·g-1,100次循环后比容量为200.12 F·g-1,约起始比容量的88%。
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