银掺杂二氧化锰及其复合材料制备与电化学性能研究

作     者：王亚鹏 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王延相

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：银掺杂二氧化锰 复合材料 自支撑柔性电极材料 电化学性能 超级电容器 

摘      要：能源问题一直是威胁人类进步和社会发展的关键问题,虽然已经有大量研究投入到新能源开发上,但诸如风能、太阳能等新能源易受环境波动影响,在许多需要稳定能源供应的地方无法满足要求,因此开发高效、稳定、高效的储能器件具有重要的实际应用意义。具有长循环寿命、高功率和能量密度、优异倍率性能的超级电容器可以满足人类生产生活的需要,被认为是最具竞争力的新型能源存储器件。电极材料作为超级电容器的关键器件,对于整个电容器的性能起着至关重要的作用。常见的电极材料有三种:碳材料,导电聚合物和过渡金属化合物。其中作为过渡金属化合物的代表,二氧化锰(MnO2)由于来源丰富,易于合成,无毒环保,理论电容值高等优点得到全世界科研人员的广泛关注。但由于MnO2导电性差等原因,其实际电容值与理论电容值还存在一定的差距。实验采用贵金属Ag掺杂改性提高MnO2的导电性进而提高材料的电化学性能。采用低温水热法成功制备了 α-MnO2,研究不同的掺杂方式和掺杂比例对MnO2的形貌、结构和电化学性能的影响。MOA5是由MnO2纳米线相互搭接形成的空心海胆状结构,这种结构使得材料具有丰富的比表面积和孔隙度,掺杂Ag之后增加了材料导电性从而使材料更好地展示出赝电容特性。成功制备了螺旋绳状的掺杂态PANI,PANI螺旋绳相互搭接形成了大量孔隙,随后制备的复合材料6PMOA5既保持了 MOA5的球状结构,同时又在MOA5小球表面复合了一层均匀的PANI球壳,保持了两种材料的结构优势。由于银离子(Ag+)在含有过硫酸根离子的水溶液中可以作为加速金属离子氧化的高效催化剂,采用Ag+…催化在室温下制备Ag-MnO2,常温下制备的RTMOA1、RTMOA3和RTMOA5是由MnO2纳米线自组装构成的空心海胆状结构,均具有较高的比表面积。由于高表面积和低结晶度,RTMOA1、RTMOA3和RTMOA5均表现出较高的电容值。为了解决MnO2在水系电解质溶液中进行电化学测试时会发生脱落的现象,探索出一步法制备Ag-MnO2/碳布自支撑柔性电极复合材料的工艺。CRTMOA3和CRTMOA5中的碳布上成功生长出均匀海胆状MnO2。由于MnO2直接在碳布表面原位生长致使MnO2与碳纤维之间的结合紧密且形貌更加均匀,可以防止在水系电解质溶液中进行测试过程中MnO2发生电化学溶解而脱落。而且碳布可以作为缓冲剂调节充放电循环过程中产生的体积变化和相关应变的释放,进而进一步增加材料电化学性能其电容值和循环稳定性较RTMOA3均有所提高。