碳纳米管-氧化锰纳米材料的制备及超级电容性能研究
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开题报告题目： 碳纳米管/氧化锰纳米材料的制备及超级电容性能研究01 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs ）具有独特的中空结构、良好的导电、高比表面积、化学稳定性、适合电解质离子迁移的孔隙以及交互缠绕可形成纳米尺度的网络结构等优点 1-3，因此其作为电极材料可以显著提高超级电容器的功率特性，自从1997年Niu 2等首次提出CNT可用到超级电容器中，CNT便开始成为超级电容器电极材料领域的研究热点。过渡金属氧化物及其水合物电极材料如MnO 2、RuO 2等本身有很高的赝电容现象，其在电极和溶液界面反应所产生的法拉第准电容远大于碳材料的双电层电容，因此有望用作超级电容器的电极材料。但这些氧化物的低电导率又会降低电极材料的功率密度。当过渡金属氧化物与CNT复合后，过渡氧化物电极上可发生快速可逆的电极反应，同时具有大比表面积的CNT网状结构和CNT良好的导电性使电子传递更能进入到电极内部，使能量存储于三维空间中，最终提高了电极的比电容和能量密度 4。因此,为提高电极的电容性质，CNT与过渡金属氧化物复合用作超级电容器电极材料近年来受到重视。超级电容器(supercapacitor)，是20世纪7080年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，具有比容大、功率密度高、循环寿命长和对环境无污染等特点 5-6，有希望成为本世纪新型的绿色能源。电极材料是超级电容器的重要组成部分，是影响超级电容器电容性能和生产成本的关键因素，因此研究开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研究工作的重要内容。超级电容器可用于电脑、录相机、计时器等的备用电源，也可用于玩具车、闪光灯、电动手工具等要求快充电、慢放电的场合，还可用于需用连发、强流脉冲电能的高新技术武器，如激光武器、电炮等。然而，超级电容器最令人瞩目的应用当属正在蓬勃发展的电动汽车上。无论是以燃料电池作电源的纯电动车，还是使用内燃机-蓄电池的混合动力车，配上超级电容器，既可用作启动和上坡时的辅助电源，提供大的峰功率，使价格昂贵的燃料电池或发动机的设计功率大为降低；又可作为车辆下坡、刹车瞬时回收能量的蓄能器，以致车辆行驶时使这些能源装置在最佳稳定功率下运行，节省燃料，延长使用寿命；还可有效地降低发动机的废气排放。国外电容器公交车和配有电容器的燃料电池车、混合动力车都已上市。我国“十五”863电动汽车专项中已把超级电容器列为专题进行研究 7。超级电容器具有广阔的应用前景，并蕴藏着巨大的经济效益，其销售额正在逐年增大，1998年全世界销售额已达2亿美元，预计到2015年将达110亿美元。超级电容器按储能机理不同可以分为双电层电容器(Electric double layer capacitor,EDLC)和氧化还原准电容器(Pseuocapacitor)两种类型。双电层电容器的储能是基于炭电极/电解液界面上的电荷分离，充电时，电子通过外电源从正极传到负极，由于静电作用电解液中的正负离子分别向负、正电极迁移并在其上定向排列形成双电层，在电极和电解液界面存储电荷1；放电时电子通过负载从负极移至正极，正负离子则从电极表面释放并返回电解液本体，恢复到原来的无序状态。可见,双电层电容器的充放电过程是一个单纯的静电过程，没有电化学反应发生，因而可以瞬间大电流快速充放电，其循环充放电次数也没有理论上的限制。准电容器是基于金属氧化物或导电聚合物的表面快速、可逆的法拉第反应产生的准电容来实现能量的储存。在相同的电极面积情况下，准电容是双电层电容的10100倍，但其瞬间大电流充放电的功率特性不及双电层电容器。氧化锰资源广泛，价格低廉，环境友善，具有多种氧化价态，广泛应用于电池电极材料、氧化催化剂材料以及作为固态电容器的阴极材料上 8-10，自从1999年报道氧化锰应用于超级电容器的电极材料以来，用于超级电容器的氧化锰电极材料已经取得了很大进展，目前，氧化锰粉末电极的比容量大约在100一250F/g，研究者正在试图采取多种方法制备具有高比表面积和良好电容特性的超级电容器氧化锰电极材料。不同的制备方法可获得不同形貌结构的氧化锰，甚至用同一反应，若控制不同的反应条件，则可能得到不同晶型的氧化锰，不同结构的氧化锰在超级电容器中所具有的电化学性能差别也很大。近年来，已报道有sol-gel法 11、电化学沉积法12、热分解法 13、微乳法 14等技术制备MnO 2微粒，其中有些方法条件苛刻，操作复杂，不利于大量生产 15。2 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施本课题确定以“碳纳米管/氧化锰纳米材料的制备及超级电容性能研究”为主题，通过液相共沉淀法制备二氧化锰和 CNT 进行复合，配合先进仪器进行表征来研究其超级电容性。准确称取 9.48g 高锰酸钾(分析纯)，溶解到 360mL 去离子水中；称取 15.21g硫酸锰(分析纯)，溶解到 500mL 去离子水中。将两者直接混合，强烈搅拌，反应6h，将会发生如下反应： 2Mn7+3Mn2+ 5Mn4+将沉淀产物用去离子水多次洗涤，进行过滤，然后用无水乙醇洗涤二次，过滤。将过滤产物分别在 45oC、80 oC 和 200oC 真空干燥箱中进行热处理，而后用玛瑙研钵研磨，得到棕黑色的粉末样品，分别记为 A、B 、C。将二氧化锰粉末、乙炔炭黑、导电石墨与粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)按 80%:7.5%:7.5%:5%的质量比混合均匀，加入少量无水乙醇进行分散，然后在 10MPa 的压力下，用手动油压机将其压在处理过的泡沫镍集流体上，制成 11.8mm 的氧化锰电极。不同温度热处理 MnO2 粉末制得的电极分别对应为电极 A、B、C。然后用表征方法为 X 射线衍射（XRD） 、扫描电镜（SEM ） 、透射电镜（ TEM）来研究其超级电容性。电化学性能的研究：2循环伏安法(CV)是研究电极在电解液体系中电化行为的一种常用方法。其测试原理是：施加给电极一个线性变化的周期性扫描电位信号，通过检测电路中的电流响应值，从而得到电极状况的信息。通过对碳纳米管多层薄膜电极进行循环伏安测试可以从曲线中比较直观的了解和观察电极在充放电过程中的化学行为。3 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作在超级电容器中，电极材料是关键，它决定着电容器的主要性能指标。纳米MnO2电容器的性能受 MnO2的形态、结构影响很大, 因而 MnO2的制备尤显重要。制备超级电容器用纳米 MnO2的方法目前主要有氧化法、化学沉淀-烧灼法、低热固相反应法、溶胶凝胶法。二氧化锰与碳纳米管的复合方法主要包括：化学法、电化学沉积法、热解法。选用不同的方法也会导致电容器的性能不同。所以 MnO2的制备和二氧化锰与碳纳米管的复合为本课题的重点同时也是难点。已开展的工作：1).阅读了关于本课题的相关文献。2).为实验做了部分前期准备。3).对相关课题的学长们进行了相关交流。4).制定了本课题的进度计划。4 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）第 1 周：查找并阅读参考文献，完成开题报告。第 2 周：查找并阅读参考文献，协助实验,向学长们学习经验。第 3-5 周：查找并阅读参考文献，对实验进行分析和优化；第 6-9 周：查找并阅读参考文献，进行试验并记录过程及数据。第 10-11 周：查找并阅读参考文献，总结经验并处理数据。第 12 周：查找并阅读参考文献，完成后续实验工作以及补充实验,为撰写学士论文做准备。第 13-14 周：查找并阅读参考文献，进一步完善实验室工作，撰写学士论文，准备毕业答辩及完善论文。 3指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导老师： 年 月 日所在系审查意见：系主管领导：年 月 日4参考文献1 Frackowiak E.Carbon Materials for Supercapacitor Application J. J Phys Chem,2007.(9):1774-1785.2 Zhang L L, Zhao X S. Carbon-based Materids as Supercapacitor Electrodes J.Chem Soc, 2001, (21): 26-34. 3 王敏炜,李凤仪,彭年才.碳纳米管- 新型的催化剂载体J.新型炭材料,2002,17(3):75-78.4 邓梅根 ,杨邦朝,胡永达.活化和 MnO2 沉积提高碳纳米管超级电容器的性能J. 功能材料，2005,36(3):408-410.5 Carl Z.Advances in composite materials for thermal manage ment in electronic packaging(J). Journal of the Materials,1998,50(6):47-51.6 Arbizzani C,Mastragostino M.Principles and applications of electrochemical capacitorsJ.Electrochmiica Acta,2000,(45):483-498.7 吴锋,徐斌.碳纳米管在超级电容器中的应用研究进展 J,2006,(21):1007-8827.8 刘立清.超细二氧化锰的制备,商用二氧化锰的改性及其电化学性能研究D,杭州: 浙江大学,2005.9 夏熙,刘玲.二氧化锰在锂离子电池中的应用J. 电源技术 ,1997,21(3):120-126.10 房振乾,刘文西,陈玉如.新型氧电极催化剂材料纳米 型 MnO2 的合成及其电化学性能J.电源技术 ,2003,27(3):267-283.11 Reddy R N,Reddy R G.sol-gel MnO2 as an electrode material for electrochemical cap-acitorsJ. Power Sources,2003,(124):330-337.12 Carl Z. Advances in composite materials for thermal management in electronic pac
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