微波法制备金属氧化物/石墨纳米复合材料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新型的储能器件,其性能介于二次电池和传统电容器之间,兼备传统电容器功率密度大以及二次电池能量密度高的特点,并且具有循环寿命长、充放电速率快、对环境友好等优点,而被广泛研究。而超级电容器的高性能取决于其电极材料,过渡金属氧化物中研究最早的是RuO2,由于其优异的导电性、超高的理论比电容而被广泛研究。但是,作为贵金属氧化物,其价格昂贵、有毒性并且对环境污染严重。因此,寻找电化学性能优异且经济实惠的可替代的金属氧化物势在必行。由于环境储量丰富、价格低廉、较高的理论比电容、环境友好等特点,MnO2、NiO在众多的金属氧化物中脱颖而出。但是MnO2、NiO都存在电导率低的缺点,限制了其实际应用。另外,微波法在室温、周围环境中就能快速实施,较传统的水热法、电化学沉积法、电化学氧化法、化学沉积法等具有操作步骤简单、反应周期短(60 s)、无需后处理等无可比拟的优点。因此,本文采用固态微波法,选择导电性超好的石墨,与MnO2、NiO进行复合制备高性能的电极材料。主要工作如下:1.以石墨作为加热层,四水合硝酸锰(Mn(NO32·4H2O)作为先驱体,成功制备了(二氧化锰纳米线)MnO2-NW@Graphite纳米复合材料,探究了石墨与先驱体的质量比、微波功率、加热时间对二氧化锰微观形貌的影响。通过SEM图表明石墨与Mn(NO32·4H2O的质量比为50:20(单位mg),微波功率为800 W,加热时间为60 s时,二氧化锰纳米线的形貌最佳。并且对该条件下制备的复合材料进行了电化学测试,结果表明,在电流密度为1 A/g时,比电容达到了最大值380.4 F/g,并且在循环2000圈之后,比电容保持率仍为最大值的80%,表现出了优异的循环稳定性。2.以石墨作为加热层,六水合硝酸镍(Ni(NO32·6H2O)作为先驱体成功制备了NiO@Graphite复合材料,探究了石墨与先驱体的质量比、微波功率、加热时间对NiO@Graphite复合材料的电化学性能的影响。结果表明石墨与Ni(NO32·6H2O的质量比为50:40(单位mg),微波功率为800 W,加热时间为60 s时,NiO@Graphite电极材料的电化学性能最佳。最大比电容为455 F/g(0.5 A/g),当电流密度增加到10 A/g时比电容仍为327 F/g,表现出良好的倍率性能,但是由于石墨表面上NiO细颗粒的团聚导致其循环稳定性比较差。3.为了进一步提高NiO@Graphite电极材料的循环稳定性,以石墨为加热层,六水合硝酸镍以及四水合醋酸锰(Mn(CH3COO)2·4H2O)为先驱体制备了NiO/MnO2@Graphite复合材料。通过SEM图可以看出MnO2的加入有效地阻碍了Ni O颗粒的团聚,大大提高了复合材料的稳定性。在电流密度为1 A/g时,最大比电容达到了740 F/g,循环1600圈之后比电容仍为初始比电容的140%(592 F/g)。
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