δ-MnO2/NRGO电极材料的可控制备及超电容特性研究

作     者：赵伟 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘家琴;陈星

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] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 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：MnO2 NRGO ZIF67 超级电容器 

摘      要：超级电容器是一种有效而实用的储能器件,锰基超级电容器拥有优越的超电容性能,在新能源材料及能源存储应用领域极具发展前景。本文采用溶剂热法以对苯二胺为氮源在氧化石墨烯(GO)中掺杂入氮元素,得到氮掺杂改性的石墨烯,改变了材料的电化学活性,提高了导电性;通过水热法在改性石墨烯表面均匀生长有序的Mn O纳米片结构,降低了Mn O的内阻,同时避免了石墨烯片层之间的相互堆积;采用水热法在新型电极材料ZIF67中引入Mn元素,得到了三维核壳结构的Mn-ZIF67电极材料。系统探究了结构组成、元素掺杂对电极材料超电容特性的影响。将所制备的电极材料组装成非对称超级电容器器件以评估在实际应用中的效果。本文的主要研究结果如下:(1)利用对苯二胺对氧化石墨烯进行官能化,作为生长均匀Mn O纳米结构的基底。通过简单的水热法合成了δ-Mn O/NRGO复合材料。在此,对苯二胺不仅用作改性石墨烯的氮源,并且发挥了“锚定Mn O的作用。通过SEM,TEM,XRD,FT-IR和XPS等手段表征δ-Mn O/NRGO纳米复合材料。研究对比了添加NH-RGO前后纳米复合材料的电化学性能。测试结果表明,δ-Mn O/NRGO在5 m V s扫描速率时显示出优异的比电容(299.5 F g)和优异的循环稳定性(8000次循环充放电后电容保留率为97.8%)。该性能的提升主要归因于特定的纳米结构以及氮元素的掺杂,NH-RGO的加入为Mn O提供了更多的活性位点并促进了电荷转移,两者协同作用大大提高了电极材料的电化学性能。(2)基于δ-Mn O/NRGO复合电极材料,在具有超大比表面积的新型电极材料ZIF67中通过水热法掺杂Mn元素,得到双金属原子为中心的Mn-ZIF67电极材料。对该材料的形貌结构和性能进行表征测试,结果表明,该材料具有超薄的二维纳米片与中心骨架组成的三维核壳结构,在1 A g的电流密度下表现出257 F g的高比电容,经过10000次的循环充放电后的比电容仍达到初始值的95.3%。良好的性能归因于掺杂的Mn降低了材料本身的内阻,材料表面的二维纳米片壳层在加速电荷和离子传输方面发挥了重要作用。(3)将δ-Mn O/NRGO和Mn-ZIF67电极材料分别组装成为非对称超级电容器器件,研究两种电极材料在实际应用方面的效果。结果表明,δ-Mn O/NRGO//AC器件的工作电压窗口可以拓宽至0-1.8 V,在功率密度为242W kg时的能量密度高达24.2 Wh kg,同时表现出良好的倍率性能;Mn-ZIF67//AC器件可在电压窗口为0-1.4 V下正常工作,在功率密度为191.57 W kg时,能量密度达14.9 Wh kg。基于两种不同电极材料所组成的超级电容器器件都表现出大电压窗口和良好的能量密度,是具有良好应用前景的电极材料。