巧妙合成二氧化锰.doc

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1、巧妙合成二氧化锰/碳纳米管纳米复合物及其作为超级电容器的电化学行为王红娟，澎成，澎峰，于浩，杨建化学与化工学院，华南理工大学，广州，510640，中国摘要：通过高锰酸钾和碳纳米管的直接氧化还原反应，一种二氧化锰和碳纳米管的纳米复合物被合成。而没有添加其他氧化和还原剂。扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪表征了复合物的形态、微观机构和晶型。通过循环伏安法、电化学交流阻抗谱和恒流充放电测试了其电化学性能。结果表明，在电流密度0.2A/g时，合成复合物比容量162.2F/g。并且拥有在5A/g电流密度下，2000次循环充放电比容量保持90%的优良特性。1.介绍超级电容器，

2、也称为电化学电容器（Ecs），由于具有高的功率密度、优良的循环性能和长的循环寿命，可以潜在应用于电动汽车、电源、便携式电脑和其他设备[1]、[2]、[3]。根据充放电机制的不同，超级电容器分为两类。第一种叫做电化学双电层电容器(EDLCs)，包括各种拥有高比表面积的碳材料[4]，[5][6]，[7]，[8]，[9]，如活性炭、碳纳米管、石墨等。其电容的产生是由于电极和电解液界面电荷的分离。第二种叫做赝电容电容器，包括过渡态金属氧化物【10】、【11】、【12】和导电聚合物【13】、【14】、【15】。其电容的产生是由于界面快速、可逆、氧化还原反应。与双电层电容相

3、比其具有更高的电容。例如，水化RuO2，根据报道在酸性电解质中其比容量达到720F/g[【12】。然而，Ru是一种贵金属，并且RuO2具有毒性。这就限制了其商业产业化。目前，由于低的成本、原料丰富、高的理论比容量（13701F/g）和环境友好[17],[18],[19],[20],[21]，氧化锰受到极大的关注。但是其实际比容量远远低于理论值。原因可以归结为MnO2低的电导率和活性单元低的利用率[22],[23],[24]。仅仅少数几个表面层参与充放电过程，大部分的内层未参与。碳纳米管（CNTs），包括单壁（SWCNTs）和多壁（MWCNTs）碳纳米管，具有优良

4、的力学性能、高电导率和化学稳定性，被认为潜在的电极材料。为利用氧化锰高的比容量和碳纳米管高的点到率，人们在生长MnO2层于CNTs上做出许多的尝试。Wei等用KMnO4作为前驱体和氧化剂，乙醇作为还原剂，通过化学沉积方法制备出无定形MnO2/SWCNT复合物。所获得的复合物在电流密度为2A/g，经过750次循环后比容量为110F/g[25]。Chou等通过循环电压技术沉积MnO2纳米线于碳纳米管上。所制得的复合物比容量为在电流密度为77mA/g时为167.5F/g[26]。Zhen等通过热沉积方法制得比容量为568F/g的MnO2/CNT/石墨电极。然而，该方法

5、MnO2的沉积量较小难于实际应用(大约37μg/cm2)[27]。最近，为了利用CNTs的电导率，Chen及其合作者填充纳米MnO2粒子与CNTs。所制得的CNT-精细MnO2粒子的比容量为225F/g。归一化后，复合物容量为1250F/g[28]。Ajayan等合成了同轴排列的AuMnO2/CNT超级电容器，测得比容量为68F/g、功率密度为33kW/kg以及能量密度为4.5Wh/kg[29]。本文中，碳纳米管被用做还原剂和载体，高锰酸钾被碳纳米管直接还原，沉积MnO2于碳纳米管表面形成MnO2/CNTs复合物。通过这种简易方法制备的MnO2/CNTs复合物在

6、电流密度为0.2A/g时为162.2F/g，并且具有在电流密度5A/g时循环2000次比容量保持90%的优良充放电特性。2.实验2.1MnO2/CNT制备和表征二氧化锰沉积在CNTs上是通过CNTs和MnO4-进行的直接的氧化还原反应。首先，CNT要经过在110℃下三个小时的硝酸处理，目的是去除CNT生长出来的铁催化剂和改善CNT表面的润湿能力。然后，把100mg的经过硝酸处理的CNT放入到装有100mlKMnO4的三口圆底烧瓶中超声振动30分钟，再加入10ml的乙酸到刚混合的溶液中使其处在一个酸性的环境中（pH≈2.3，在室温下）。之后，磁悬液在循环加热到70

7、℃并不断的磁搅拌3个小时。最后，用去离子水和丙酮反复过滤和冲洗混合物以去除残留的KMnO4。最后的固体产物要放置到70℃的真空环境中干燥12个小时之后就可以获得MnO2/CNT。MnO2/CNT纳米复合材料中的Mn含量是通过电子探针微量分析测量出来的。这种材料的形态特征是通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜得到的。这个准备好的复合材料的晶体结构是由装备了CuKα射线的粉末X射线衍射系统来进行测量。这个复合物中的Mn的化学家是通过使用AlKα射线的X射线光电子能谱分析测量的。在284.6eV下使用C1S线进行光谱校正。2.2工作电极的制备和电化学测量工作电极的准备有

8、以下几个步骤。准备好的纳