MnO2和FeO(OH,F)/rGO亚微米结构的制备及其电容性能研究

作     者：孙云昌 

作者单位：青岛大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭培志

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：超级电容器 二氧化锰 纳米线 纳米花 碱式氧化铁 

摘      要：超级电容器具有极高的功率密度和超长的使用寿命,在储能、电动汽车和可穿戴设备等领域被广泛应用。MnO和FeOOH具有高的电压窗口、价格低廉、环境友好、无毒性和理论比电容高的优点而被认为是极具潜力的超级电容器电极材料,但是其极差的导电性和仅有表面的部分发生氧化还原反应极大的限制了它们的实际应用。本文通过制备MnO纳米线和MnO纳米花来增加其比表面积,比表面积的增加使MnO暴露了更多的活性位点,从而使MnO比电容增加。使用掺杂和复合的双重机制一步水热法制备了FeO(OH,F)@rGO,极大的提高了碱式氧化铁的导电性,使制备的FeO(OH,F)@rGO材料的比电容得到提高。此外,使用多种表征方法对制备MnO纳米线和纳米花以及FeO(OH,F)@rGO材料的形貌、化学结构以及电化学性能进行了细致的表征。(1)使用简单的水热法制备了尺寸可控α-MnO纳米线,改变反应时间可以调节纳米线的长度和直径,反应时间为0.5 h时,制备MnO-NW-1的直径和长度最小。电化学测试了MnO-NW在NaSO、MgSO和Mg(NO)电解液中的电化学性能,发现MnO-NW在Mg(NO)电解液中具有最优异的电化学性能,也具有最好的循环稳定性。(2)以PVP为还原剂和高锰酸钾为前驱体制备了自组装的三维二氧化锰纳米花(δ-MnO-NSA),PVP在实验中还起着表面活性的作用来控制样品形貌,改变PVP的使用量可以有效的调控MnO的形貌,水热反应时间也可以调控δ-MnO-NSA纳米片的厚度、纳米花的大小和结晶度。电化学测试显示,无论在NaSO还是MgSO电解液中,MnO-NSA-0.5的比电容都高于MnO-NSA-12。同时也发现MnO-NSA在MgSO电解液中可以获得更高的比电容,电化学数据、EDS和XPS数据指示MnO-NSA在MgSO电解液的储能过程中引入了电池行为,即存在Mn到Mn的转变,此外,镁离子嵌入MnO-NSA的晶格中对比电容的提高也起着重要的作用。(3)一步水热法制备了FeO(OH,F)@rGO水凝胶,水热过程中NHF的量对所生成样品的种类、形貌和电化学性能有重要的影响,当NHF的使用量低于5 mmol时,无法生成rGO水凝胶,而且生成的样品为粉末状的α-FeO,当NHF的使用量为5 mmol时,生成的样品为FeO(OH,F)@rGO,其具有最高的电化学性能,比电容在2 A g时的比电容可以达到855 F g。此外还发现FeO(OH,F)@rGO在活化后的比电容增加,其原因为在CV活化过程中改变了样品的形貌,使其比表面增加,暴露更多的活性位点。