MnO2及其复合电极材料的设计开题报告
2022-01-12 22:43:03
全文总字数：6753字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
| 高科技时代的飞速发展正一步步促使着生产方式的变革，因此对于能源的需求逐渐从传统能源向新型能源发生改变。电能相比其他能源的应用已经相当广泛，对于电能的储存一直是研究的一个热点话题，电池在储能方面存在的优越性能使其得到了广泛的应用，比如电子、交通、通信等领域。这在一方面确实带来了极大的便利，但是在用尽废退之后对土壤与环境的污染也是一个不可避免的问题，于是它的应用受到了部分限制。超级电容器作为一种新型元器件的出现，因为它同时具有电容器快速充放电和电池储能的特性，所以对储能器件的发展具有极大的推进作用。已经广为人知的超级电容器在储能领域扮演着愈来愈重要的角色，电化学储能的手段则变得愈发新颖。同时，对于电池性能的追求在不断促进着超级电容器的发展。超级电容器具有优越的能量密度、功率密度，这使得它的应用极为宽广。
MnO2具有许多其他功能氧化物不可比拟的物理和化学性质，并且这些性质已经被应用于分子筛、催化剂、超级电容器和离子交换等技术中。但是，MnO2自身的导电性质较差，限制了其电化学性能。为此，本设计以MnO2为基体，通过制备工艺的改进，及复合碳材料提高MnO2的导电性能，从而达到增强其超级电容器性能。
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国内外研究现状
| 随着制药、印染、冶金、化工等工业的快速发展，含高浓度的酚类、抗生素、染料等结构稳定的有机污染物废水大量产生，其半衰期长、成分复杂、毒性大，严重危害着人类的生存环境。电化学氧化处理技术(Electrochemical OxidationProcesses，EOPs)是采用外加电场形成电化学处理体系，利用其中阳极材料的电催化氧化特性将难生物降解的有机污染物氧化分解的水处理方法，属高级氧化技术之一，具有操作简单、反应条件温和、不引入二次污染等优点而被水处理工程业界广泛关注。由于有机物的电催化氧化反应发生在电极/溶液界面，电极材料的种类与性质将直接影响反应能否进行及其过程和速率，并直接关系着降解效率与效果，因此适宜的电极材料是这一技术应用的关键。二氧化锰复合电极主要是MnO2与碳材料、金属以及高分子聚合物进行掺杂与复合制备的电极材料。二氧化锰薄膜电极是直接利用沉积的手段在基体上直接沉积二氧化锰，或者是在先沉积锰盐或纯金属锰于基体上，然后再进行氧化还原形成二氧化锰的一种电极。在不断地追求微型电子器件的进程中，对于超级电容器的要求也越来越严格，人们开始更渴求拥有超高性能的电容器以便满足需求，于是，在整体方向未发生彻底革新之前，研究者的更多关注依旧在电极材料，包括物质、结构、工艺等方面的改善。 在追求更高比电容和循环稳定性能的过程中，研究人员发现将碳材料与二氧化锰进行复合将表现出卓越的性能。碳材料因其具有优越的孔隙率和导电率而被认为是一种杰出的电极材料。Jiang等[4]通过将碳纳米管（CNTs）混入乙醇中还原KMnO4反应体系，制得了α-MnO2包裹的多壁碳纳米管复合电极（MnO2 / MWCNTs），在1M Na2SO4溶液中，测试了MnO2 / MWCNTs复合材料作为超级电容器电极材料的电化学性能，在电流密度为5 mVs-1下，比电容值高达179 Fg-1。Chen等[5] 通过在水异丙醇系统中的简单软化学途径实现了针状MnO2纳米晶体（GO-MnO2纳米复合材料）支撑的氧化石墨烯复合物，当m(石墨烯)：m(MnO2)=1：3时，在1molL-1 Na2SO4电解液中，试样的比电容达到了197.2 Fg-1；在1000 次循环充放电之后比容量依旧高达165.9 Fg-1 。余凡[6] 选用二氧化锰作为电极活性物质，与膨胀石墨（EG）相复合以提高材料的比电容和导电性。采用化学沉淀法和阳极电沉积法，制备了MnO2、MnO2@EG、MnO2@EG@棉织物电极材料，其微观形貌如图1-10所示，在放大8万倍时，很清晰观察到MnO2微小颗粒附着在膨胀石墨表面。Liu等[7]利用简单水热法在氧化石墨烯（GO）基片上合成具有双线性二氧化锰（MnO2）纳米片阵列的MnO2-GO杂化物，该杂化物的电镜图像如图1-11所示。MnO2-GO杂化物具有增强的比电容（在电流密度为0.1 Ag-1时为213 Fg-1），倍率性能（在10 Ag-1时甚至为80 Fg-1）和电容保持率为超高的98%。 此外，电化学阻抗谱（EIS）证明直接在GO上生长的MnO2纳米片的电化学电阻降低，表明MnO2-GO杂化物中电荷的嵌入/脱嵌更容易进入。 通常情况下，导电聚合物的比电容达到了双电层电容器的2-3倍，但是材料本身存在的缺点使得导电聚合物直接充当电极材料时，表现的性能差强人意。无机/有机复合材料因其综合了无机物和有机物的优势,利用协同效应能有效提高复合材料的性能,因而成为电极材料的首选材料。梁芳楠[8] 采用细乳液聚合法的“液滴成核”原理制备MnO2/PPy复合材料，比容量在0.5 Ag-1时达到241.3Fg-1,经过1000圈充放电后，MnO2/PPy复合电极比容量保持率为93.5%。
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2. 研究的基本内容
研究不同水热反应温度下得到的纳米MnO2，研究其电化学性能。以纳米MnO2为基底复合碳，通过射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）对样品的晶体结构和成分进行分析，得出样品的表面形貌和具体组成成分，研究碳在质量分数为10%、20%、30%时的电化学性能。在碳球表面沉积纳米MnO2，研究其形貌，以及纳米MnO2在质量分数为10%、20%、30%时的电化学性能。利用水热一步法制备MnO-2/碳复合材料，研究其形貌以及碳在质量分数为10%、20%、30%时的电化学性能。
3. 实施方案、进度安排及预期效果
实行方案：根据实验室的实验条件，我们将使用水热合成法来制取分别泡沫镍/钴酸盐，泡沫镍/硫代钴酸盐复合电极材料。
水热合成法是指在高温高压下，在水(水溶液)或水蒸气等流体中进行有关化学反应的总称。水热条件下，水作为溶剂和矿化剂，同时液态或气态的水是传递压力的媒介，促使反应在液相或气相中进行。
进度安排：
4. 参考文献
[1] xiao liang, connor hart, quan pang, arnd garsuch, thoms weiss linda f. nazar. a highly efficient polysulfide mediator for lithium–sulfur batteries[j]. nature communications,2015,6(1):5682.
[2] pu xiong, linxuan li, mengmeng liu, chunyan jiang, chunhua du, zhenfu zhao, weiguo hu, and zhong lin wang. wearable self-charging power textile based on flexible yarn supercapacitors and fabric nanogenerators[j]. advanced materials,2015, 28(1), 98–105.
[3] 邓江.炭及其复合材料的制备与电化学储能应用研究[d].浙江：浙江大学，2018.
