钠锰氧化合物的合成及其在超级电容器中的应用

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超级电容器作为一种绿色环保的能量储存器件,具有高能量密度、良好的可逆性和长循环寿命等优点。超级电容器在电动汽车、电磁脉冲,不间断电源等方面有良好的应用前景。  金属氧化物通过氧化还原赝电容的机理来存储电荷。无定形的RuO2.xH2O是目前报道的具有最高比电容的电极材料,然而这种材料的成本比较高,不易实现商业化。锰氧化物由于资源广泛,价格低廉,环境友善,有望取代氧化钌作为超级电容器电极材料,因而受到广泛的关注。其中,具有层状或通道晶体结构的锂锰氧和钠锰氧化合物尤其吸引人们的注意。然而目前关于锂锰氧和钠锰氧化合物的研究主要集中在锂电池方面。很少有报道涉及它们在超级电容器方面的应用。  十二核混合锰簇合物[Mn12O12(RCOO)16(H2O)x]是一类很多人都熟知的单分子磁体。该类分子内部核心是四个Mn4Ⅳ离子通过μ3-O2-桥联成正四面体结构,外围八个MnⅢ离子通过μ3-O2-桥联构成一个环并与内层相连。由于氧原子与两种价态的锰原子共存于同一个分子内,因此这类分子可能作为前体物用于合成变价的锰氧化合物。  在本文中,通过碱解[Mn12O12(CH3COO)16(H2O)4]并灼烧的方法合成了钠锰酸盐Na2Mn5O10和Na0.7MnO2.05。样品使用X射线粉末衍射、氮气吸附比表面积、扫描电镜、光电子能谱等手段进行了表征。  1.钠锰氧化物Na2Mn5O10以[Mn12O12(CH3COO)16(H2O)4]为原料,通过碱性水解后热焙烧。在200℃的温度下可以得到无定形的Na2Mn5O10。提高灼烧温度至600℃,得到产物的结晶度增大,样品逐渐由无定形粉末转化为纳米棒状晶体。电化学研究表明,Na2Mn5O10具有比较好的超级电容器性质。无定形样品在0.5mol/L Na2SO4电解质溶液中以及0-0.8V电位窗口范围内,具有良好的循环稳定性能,充放电速率为0.125A/g时单电极比电容达178 F/g。与无定形样品不同的是,高晶化纳米棒样品的循环伏安曲线和充放电曲线具有明显的赝电容特征。  2.钠锰氧化物Na0.7MnO2.05以[Mn12O12(CH3COO)16(H2O)4]为原料,通过碱解后在1000℃焙烧。扫描电子显微镜(SEM)研究表明,得到的产物Na0.7MnO2.05是由微米级扁平杆状晶体组成。电化学研究表明,Na0.7MnO2.05作为超级电容器的超级电容器与Na2Mn5O10相比稍微差一些,同样条件下,单电极比电容为121F/g。
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