cmno2cnt复合材料的合成和性能测定
超级电容器是一种新型的电能储蓄装置，因其具有充放电时间短、功率密度高、循环寿命长、环境污染小等优点而被广泛关注，而很大程度上，电极材料决定了超级电容器的性能。二氧化锰（MnO2）具有高的电化学活性、极高的理论比容量、环境友好等特点，在超级电容器等储能器件中被广泛应用。本文使用高锰酸钾和硫酸锰通过水热法制备MnO2/CNT复合材料，以葡萄糖为碳源，经过水热反应使葡萄糖碳化成为多孔碳包裹制备C/MnO2/CNT复合材料，并对这两种复合材料的理化性质和电化学性能进行表征。本文研究了MnO2/CNT复合材料在包裹多孔碳前后，材料的理化性质和电化学性质的变化。结果表明，在包裹多孔碳后，当MnO2相对含量相同的情况下，复合材料的比电容明显升高，复合材料电化学反应的可逆性略有下降。
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract 1
Key words 1
绪论 2
1 材料与方法 3
1.1 仪器与试剂 3
1.1.1 实验仪器 3
1.1.2 实验试剂 4
1.2样品合成与分析 4
1.2.1 水热法制备MnO2/CNT复合材料 4
1.2.2 水热法制备C/MnO2/CNT复合材料 4
1.2.3 泡沫镍电极测试材料的制备 5
1.2.4 分析测定样品的电化学性质 5
1.2.5 分析材料理化性质 5
2 结果与分析 5
2.1物理性能测定 5
2.1.1样品的比表面积测定 5
2.1.2样品的元素含量分析 6
2.2电化学性能测定 6
2.2.1循环伏安法 6
2.2.2恒电流充放电法 7
2.2.3交流阻抗图谱法 8
3 讨论 8
3.1 样品性能分析 8
3.2 展望 9
致谢 9
参考文献 10 C/MnO2/CNT复合材料的合成和性能测定
引言
绪论
随着越来越多的由化石类燃料带来的环境问题的出现，人们开始意识到了新能源的重要性， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
环境友好能源逐渐引起了人们的重视。但大部分清洁能源需要转化为电能才能方便使用，而作为电能储存和释放的中介，各种电池以及超级电容器便是研究的重点。
超级电容器作为一种新型的电能储蓄装置，因其充放电速度快、效率高、循环寿命长、环境友好等特点而引起关注[1,22]。按照储能机理不同，超级电容器主要分为双电层电容器（Electrical DoubleLayer Capacitor, EDLC）和赝电容器（Pseudocapacitor）两种，双电层电容器中的能量储存是由于电荷处于电极界面的双电层中，而一个赝电容除了双层电荷[25]外，还利用了感应式反应。在电解液中具有较大表面积的导电电活性电极是制备高性能超级电容器的关键。但在相同电极面积情况下，赝电容器电极材料中存储电荷的量比双电层电容器多，其能量密度也远大于双电层电容，因而主要研究赝电容。
超级电容器常使用过渡金属氧化物及其水合物等材料作为电极，而在众多的过渡金属氧化物中，二氧化锰因其高理论比电容（1230 Fg1）、高电化学活性等优点而受到许多研究者的重视[69]。当前对基于二氧化锰的超级电容器电极材料的研究，主要分为三个方向：（1）制备小颗粒高分散的二氧化锰纳米材料，在制备电极过程中使纳米二氧化锰和导电剂充分混合从而提高电容器性能；（2）在制备MnO2/CNT复合材料过程中使MnO2和导电材料充分混合来提高导电性能；（3）以电沉积方法将活性材料MnO2负载到预先构造高表面积高电导率的多孔性集流体上，直接形成电极。本文选取的是第二个方向。
与双电层电容器不同的是，赝电容材料的电荷存储是基于孔隙表面下的材料的氧化还原转化完成的。虽然具有较高的特定电容，但赝电容性材料的机械强度较低，导电率低，孔隙率低，从而抑制了其作为超级电容器电极的应用。为了克服碳材料和赝电容性材料的这一难题，合成含碳和赝电容性材料的复合材料，使得其电化学性能得到了改善[10,11]。在这些复合材料中，以碳作为支撑材料，从而提高导电性能，并使材料拥有大的活性表面积和机械稳定性[10,12,13]。在这些碳材料中，碳纳米管（CNTs）提供了一种独特的多孔网络结构，这种结构具有高电化学可用性的表面积、优良的导电性、良好的物理性能和化学稳定性[14,15,16]。而对碳纳米管（CNTs）的有效利用很大程度上取决于在溶剂中分散纳米管和分离碳纳米管束的能力，从而减小活性表面积和EDL电荷存储[13]。
目前有三种方法广泛应用于 CNTs分散到溶剂和聚合物中[4]：物理混合[5]；化学功能化[17]；分散剂辅助分散[18,19]。在物理混合的条件下，当物理搅拌如声波降解停止后，分散情况将随着时间推移而恶化，并不能稳定持久。若进行化学修饰和功能化，可采用强氧化剂在CNTs管壁形成功能基团，比如羧酸。这虽是一种有效的分散方法，但却不可避免会破坏碳纳米管表面结构，从而导致电导率和机械强度减低。在分散剂辅助分散的情况下，分散剂和CNTs混合在溶液中，CNTs通过声波降解而分散在溶液之中，并通过非共价相互作用而稳定化，同时保持了纳米管结构、电导率和力学性能。聚苯乙烯磺酸盐（PSS）是一种有效的分散剂，带负电荷的PSS使CNTs非共价功能化，并在纳米管表面创造活性位点[20]。
本文研究目的在于合成电容性能好、循环稳定性好的锰碳复合电容材料，以硫酸锰为锰源、PSS为分散剂，利用声波降解使PSS在CNT表面形成一层保护层，通过静电排斥力使碳纳米管稳定在水中[21]。在CNT上的带负电的PSS层吸引带正电的Mn2+金属离子，并作为后续纳米结构的模板，不断增长的原子核与表面电荷（SO3）之间的相互作用促进纳米结构的物质增长，延缓颗粒间的聚集。随后在溶液中加入高锰酸钾，使纳米管管壁上的Mn2+与溶液中的Mn7+发生氧化还原反应形成Mn4+，产生的Mn4+与水相互作用产生水合MnO2：
3Mn2++2Mn7+→5Mn4+ (1)
Mn4++2H2O→MnO2+4H+(2)
随着KMnO4的氧化，MnO2得以沉积在CNTPSS表面，从而使CNTPSS/ MnO2纳米复合物悬浮在水溶液中。
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract 1
Key words 1
绪论 2
1 材料与方法 3
1.1 仪器与试剂 3
1.1.1 实验仪器 3
1.1.2 实验试剂 4
1.2样品合成与分析 4
1.2.1 水热法制备MnO2/CNT复合材料 4
1.2.2 水热法制备C/MnO2/CNT复合材料 4
1.2.3 泡沫镍电极测试材料的制备 5
1.2.4 分析测定样品的电化学性质 5
1.2.5 分析材料理化性质 5
2 结果与分析 5
2.1物理性能测定 5
2.1.1样品的比表面积测定 5
2.1.2样品的元素含量分析 6
2.2电化学性能测定 6
2.2.1循环伏安法 6
2.2.2恒电流充放电法 7
2.2.3交流阻抗图谱法 8
3 讨论 8
3.1 样品性能分析 8
3.2 展望 9
致谢 9
参考文献 10 C/MnO2/CNT复合材料的合成和性能测定
引言
绪论
随着越来越多的由化石类燃料带来的环境问题的出现，人们开始意识到了新能源的重要性， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
环境友好能源逐渐引起了人们的重视。但大部分清洁能源需要转化为电能才能方便使用，而作为电能储存和释放的中介，各种电池以及超级电容器便是研究的重点。
超级电容器作为一种新型的电能储蓄装置，因其充放电速度快、效率高、循环寿命长、环境友好等特点而引起关注[1,22]。按照储能机理不同，超级电容器主要分为双电层电容器（Electrical DoubleLayer Capacitor, EDLC）和赝电容器（Pseudocapacitor）两种，双电层电容器中的能量储存是由于电荷处于电极界面的双电层中，而一个赝电容除了双层电荷[25]外，还利用了感应式反应。在电解液中具有较大表面积的导电电活性电极是制备高性能超级电容器的关键。但在相同电极面积情况下，赝电容器电极材料中存储电荷的量比双电层电容器多，其能量密度也远大于双电层电容，因而主要研究赝电容。
超级电容器常使用过渡金属氧化物及其水合物等材料作为电极，而在众多的过渡金属氧化物中，二氧化锰因其高理论比电容（1230 Fg1）、高电化学活性等优点而受到许多研究者的重视[69]。当前对基于二氧化锰的超级电容器电极材料的研究，主要分为三个方向：（1）制备小颗粒高分散的二氧化锰纳米材料，在制备电极过程中使纳米二氧化锰和导电剂充分混合从而提高电容器性能；（2）在制备MnO2/CNT复合材料过程中使MnO2和导电材料充分混合来提高导电性能；（3）以电沉积方法将活性材料MnO2负载到预先构造高表面积高电导率的多孔性集流体上，直接形成电极。本文选取的是第二个方向。
与双电层电容器不同的是，赝电容材料的电荷存储是基于孔隙表面下的材料的氧化还原转化完成的。虽然具有较高的特定电容，但赝电容性材料的机械强度较低，导电率低，孔隙率低，从而抑制了其作为超级电容器电极的应用。为了克服碳材料和赝电容性材料的这一难题，合成含碳和赝电容性材料的复合材料，使得其电化学性能得到了改善[10,11]。在这些复合材料中，以碳作为支撑材料，从而提高导电性能，并使材料拥有大的活性表面积和机械稳定性[10,12,13]。在这些碳材料中，碳纳米管（CNTs）提供了一种独特的多孔网络结构，这种结构具有高电化学可用性的表面积、优良的导电性、良好的物理性能和化学稳定性[14,15,16]。而对碳纳米管（CNTs）的有效利用很大程度上取决于在溶剂中分散纳米管和分离碳纳米管束的能力，从而减小活性表面积和EDL电荷存储[13]。
目前有三种方法广泛应用于 CNTs分散到溶剂和聚合物中[4]：物理混合[5]；化学功能化[17]；分散剂辅助分散[18,19]。在物理混合的条件下，当物理搅拌如声波降解停止后，分散情况将随着时间推移而恶化，并不能稳定持久。若进行化学修饰和功能化，可采用强氧化剂在CNTs管壁形成功能基团，比如羧酸。这虽是一种有效的分散方法，但却不可避免会破坏碳纳米管表面结构，从而导致电导率和机械强度减低。在分散剂辅助分散的情况下，分散剂和CNTs混合在溶液中，CNTs通过声波降解而分散在溶液之中，并通过非共价相互作用而稳定化，同时保持了纳米管结构、电导率和力学性能。聚苯乙烯磺酸盐（PSS）是一种有效的分散剂，带负电荷的PSS使CNTs非共价功能化，并在纳米管表面创造活性位点[20]。
本文研究目的在于合成电容性能好、循环稳定性好的锰碳复合电容材料，以硫酸锰为锰源、PSS为分散剂，利用声波降解使PSS在CNT表面形成一层保护层，通过静电排斥力使碳纳米管稳定在水中[21]。在CNT上的带负电的PSS层吸引带正电的Mn2+金属离子，并作为后续纳米结构的模板，不断增长的原子核与表面电荷（SO3）之间的相互作用促进纳米结构的物质增长，延缓颗粒间的聚集。随后在溶液中加入高锰酸钾，使纳米管管壁上的Mn2+与溶液中的Mn7+发生氧化还原反应形成Mn4+，产生的Mn4+与水相互作用产生水合MnO2：
3Mn2++2Mn7+→5Mn4+ (1)
Mn4++2H2O→MnO2+4H+(2)
随着KMnO4的氧化，MnO2得以沉积在CNTPSS表面，从而使CNTPSS/ MnO2纳米复合物悬浮在水溶液中。
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