離子摻雜與納米導電聚合物復合對納米氧化錳電容性能影響的研究.pdf

1、超級電容器因具有高功率密度和長期循環(huán)穩(wěn)定性，已經(jīng)成為極具吸引力的電化學存儲系統(tǒng)之一。由于理論比容量高，成本低，儲量豐富和環(huán)境友好性等特點，氧化錳(MnO2)受到越來越多的關注。本文首先采用水熱法制備了δ-MnO2，α-MnO2，γ-MnO2和β-MnO2四種不同晶體結構的納米MnO2，探究了反應時間和反應溫度對納米MnO2晶體結構和形貌的影響，并且對其進行了電化學性能的測試，結果表明納米δ-MnO2的電化學性能最佳，在此基礎上，通過金屬

2、離子摻雜和導電聚合物復合兩種方法對δ-MnO2進行了改性。具體研究內容及主要結果如下:
　　1.以KMnO4為原料，在酸性條件下，采用一步水熱法，分別在100℃、140℃、180℃下反應1h、3h、6h、12h，得到了不同形貌的納米δ-MnO2和α-MnO2。通過對所得樣品的表征及電化學性能測試，實驗結果及分析表明:隨著反應溫度的升高和反應時間的延長，所得到的MnO2首先生成片狀的δ-MnO2，逐漸長成由納米片組成的花球狀δ-Mn

3、O2，最后納米片發(fā)生卷曲為納米管狀的α-MnO2。在這個過程中MnO2的晶體結構由2D層狀轉變?yōu)閇2×2]的隧道結構。實驗所得樣品的顏色也因為晶體結構的轉變由黑色逐漸變?yōu)樯詈稚Ｕf明反應溫度和反應時間是影響MnO2的晶體結構和形貌的重要因素。其中，在反應溫度為100℃，反應時間為1h的條件下得到的δ-MnO2比電容高達196.8F g-1。隨著反應溫度是的升高和反應時間的延長，所得樣品的比電容逐漸減小。γ-MnO2和β-MnO2的最高比

4、電容分別為117.2F g-1和37.6F g-1。分析比較可得，納米δ-MnO2的比容量明顯優(yōu)于其它晶型的MnO2。
　　2.在上述研究基礎上，選擇δ-MnO2作為金屬離子摻雜的對象，以KMnO4為母鹽，泡沫鎳(Ni Foam，簡稱NF)為載體，通過簡單的水熱法分別合成了Co2+，Bi3+和Fe3+離子摻雜的δ-MnO2/NF復合物，δ-MnO2的電化學性能得到了很大的提高。在2mV s-1的掃描速率下，摻雜2at.％ Co2+

5、，2at.％ Bi3+，4at.％ Fe3+得到的δ-MnO2/NF的比電容分別是506.8F g-1、365.6F g-1、376.1F g-1，遠高于未摻雜δ-MnO2/NF的198.5F g-1;其阻抗性能也得到了很大的改善。
　　3.以苯胺單體為還原劑，以過硫酸銨為氧化劑，在冰浴條件下制備了海參狀納米棒聚苯胺(PANI)。以納米PANI為基底，以KMnO4為氧化劑，采用原位生長法在PANI表面生長納米片狀的δ-MnO2，得

6、到了納米δ-MnO2@PANI復合物。通過對復合材料的表征和電化學性能的測試，結果表明:納米PANI對KMnO4表現(xiàn)出良好的還原性能，使得納米尺度的δ-MnO2成功負載在PANI納米棒的表面。納米δ-MnO2@PANI復合材料在0.5A g-1的電流密度下，比電容達到524.2F g-1，遠遠大于單純的PANI和δ-MnO2的比電容。反過來，以納米MnO2為基底，在其表面生長PANI，在2mV s-1的速率下，所得納米PANI@δ-Mn