锰氧化物自组装纳米结构的合成及超级电容器性能研究

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1、锰氧化物自组装纳米结构的合成及超级电容器性能研究⑧重庆大学硕士学位论文学生：董萌指导教师：张育新副教授专业：材料科学与工程学科门类：工学重庆大学材料科学与工程学院二0一二年十月SynthesisofSelf-assembliedMnOxNanostructuresandTheirElectrochemicalPerformanceforSupercapacitorsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheD

2、egreeofMasterofEngineeringByDONGMengSupervisedbyAssociateProf．ZHANGYhxinMajor：MaterialScienceandEngineeringCollegeofMaterialScienceandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing，ChinaOctober2012中文摘要摘要超级电容器作为新一代储能器件，它的高倍率充放电性能，高功率密度，长久的循环寿命使其在电子数码产品和电动汽车中得到了广泛的研究应用。

3、超级电容器电极材料的活性和动力学特性是其性能的重要影响因素之一，因此开发新型的电极材料是超级电容器研究的核心问题。近几年，具有优良的物理化学性能的锰氧化物纳米材料，因其在温和电解液中具有优良的赝电容行为、廉价易得并且环境友好，已经成为了超级电容器电极材料研究的热点问题。本文在借鉴国内外利用自组装技术制备纳米材料的基础上，结合水油两相法和水热法合成了多种锰氧化物自组装纳米结构。通过X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)分析样品的形貌特征和晶体结构，傅立叶红外吸收光谱(FT．IR)、同步热分析

4、仪(TGA—DSC)、比表面积测试仪(BET)，分析样品的化学组成，比表面积和孔结构，并采用循环伏安(CV)和恒电流充放电等对电极材料的电化学性能进行了测试，探讨了合成锰氧化物自组装纳米结构形貌，晶体结构与电化学性能之间的关系。首先，以四正辛基溴化铵(TOAB)为软模板，水油两相法合成的自组装海绵结构，由粒径均匀的纳米颗粒组成(10-20rim)，含有大量结合水，比表面积可达到155m29一。同时，研究TOAB在合成纳米Mn02海绵结构中的作用，证实了TOAB在其形成中起到了相转移剂和表面活性剂的双重作用。其次，采用Mn0

5、2自组装海绵结构为前驱体，通过水热处理，在酸性溶剂中合成了新颖的枝状MnOOH自组装纳米结构，该结构由纳米棒相互连接组成(-200rim)，比表面积可达126mzg～。当温度升高，枝状形貌趋于均匀，产物结晶度较高。降低前驱体用量和反应温度均不利于枝状MnOOH纳米结构的形成。最后，通过改变水热溶剂的酸碱度，分别在中性水溶液和10MNaOH溶液中合成了o．Mn02纳米管和混晶MnOx纳米花状结构。结果显示了水热溶液的酸碱性直接影响合成的锰氧化物纳米材料的微观形貌和晶体结构。在研究无模板水热条件下零维Mn02纳米颗粒向三维Mn

6、OOH纳米棒的生长机理中，通过研究不同水热时间下Mn02纳米颗粒的形貌和结构的演变过程，提出了定向聚集引起的结构缺陷是纳米形貌转变过程的主要驱动力。电化学性能测试中，合成的纳米Mn02自组装海绵结构和多枝状MnOOH纳米棒显示了良好的电化学电容性能，在电流密度为2mAem～，电解液为O．5molL—Na2S04溶液中，比容量分别可以达到336Fg一，226Fg～，高电流密度下仍然能够保持良好的倍率性能。而合成的a．Mn02纳米管和混晶MnOx纳米花状结构电化重庆大学硕士论文学性能相对较差。该电化学测试结果表明了合成的纳米M

7、n02自组装海绵结构和多枝状MnOOH纳米棒良好的电化学性能与其特殊的形貌，晶体结构和大比表面积是密切相关的。本论文中多种锰氧化物纳米自组装结构的合成方法和反应机理，为深入研究和开发新型各种物性及微观结构的锰氧化物纳米材料提供了可靠思路。同时，制备的纳米Mn02自组装海绵结构和多枝状MnOOH纳米棒具有优异的电化学性能，是作为超级电容器电极材料的优选材料。关键词：超级电容器，锰氧化物，自组装纳米结构，电化学性能II英文摘要AbstractAsmenewgenerationofenergystoragedevice，supe

8、rcapacitorisakindofpower-typeenergystoragedevicethatprovidesahighpowerdensity,moderatedensityandlongcyclelife．Therefore，supercapacitorshavebeenappliedin