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    活性炭氧化锰提高电容器性能

    来源:韩研活性炭网 作者:韩研活性炭网 2017-12-11

      活性炭氧化锰提高电容器性能,超级电容器,和电池的应用,是如今新能源关注的话题,因为涉及材料科学的巨大进步和储存电荷的理论。最近发展起来的电容器具有高功率密度,高循环稳定性,高安全性和高能量密度等优良的电化学性能,已被应用于消费类电子和电动汽车。为了设计和制造先进的能量存储装置,可以使用氧化锰(MnO2,Mn2O3,Mn3O4)中,在组装电极,用于在他们的理论高容量,低成本,高储能,以及低消耗的产品。然而,它们在储存能量方面的应用受到其本质上低导电性的影响。因此,通过构建包括石墨烯,碳纳米管,活性炭,等导电材料的分层复合材料来改善材料的电化学性能。活性炭,炭纤维和导电聚合物近年来。当与有关与氧化锰的由能量存储装置的广泛的研究相比,但是有关与活性炭掺入锰制成超级电容器比较少见。

      至于储存能量的材料,其形态和大小,都是影响其实际应用的关键。非常希望生产具有受控形状,多孔结构和尺寸的分级电极材料,以便一致地组装具有高均匀性和高密度的先进电极??梢允紫扔萌芗寥确椒ㄔ诟视秃退幕旌先芗林写蠊婺5刂票妇哂锌傻髦本兜木惹疤錗nCO3微球。发现生物质-甘油可以被包封在MnCO 3内部的空隙中微球在其生长期间形成微型储库。原位涂覆活性炭的分级Mn2O3微球可以通过退火携带生物质的前体而最终产生。据发现,甘油已在分层活性炭的合成中发挥了关键作用的Mn2O3微球,不仅作为溶剂,进行产生均匀的前体碳酸锰反应,也可作为生物质以产生活性炭层在表面上的最终产品。Mn2O3用活性炭原位包覆的微球表现出高度增强的赝电容性能,这可归因于微球的分层结构。具体而言,随后通过简单地使用生物质甘油作为溶剂进行合成及其在较高温度下的原位碳化,打开了用活性炭层装饰Mn基电极材料的新途径。这些材料可以用来组装先进的电极来储存能量。

      图1、甘油在不对称假电容器的多孔Mn2O3微球表面的原位碳化。(1)在MnCO3微球中逐步自组装生长甘油储层; (2)原位碳化在Mn2O3微球表面生成活性炭层和(3)不对称的超级电容器。

      为了进一步了解产品表面活性炭层的形成,有必要验证在所制备的前体微球中被捕获的甘油的存在。图2a给出了MnCO 3前体的典型变换红外(FTIR)谱。在3367.7和1575.6cm -1处的谱带归因于表面吸收分子(如水和甘油)引起的O-H基团的伸缩振动。根据平面CO 3 2-离子振动的正常模式,在MnCO3中存在CO 3 2-,其指峰值在1378.7,859.8和722.6cm -1。位于2492.3cm -1处的峰也通常与碳酸根阴离子的振动模式相关联。在1792.8cm -1处的弱峰归因于碳酸根基团和二价金属离子的泛音或组合带。然而,2964.1和2840.7 cm -1处的弱峰(图2中插图)无疑可归因于由甘油引起的C-H键的伸缩振动。出现在1075.2cm -1处的弱峰可以进一步证实甘油的C-O键的伸缩振动。前体的FTIR光谱清楚地证实甘油已经被捕获在前体微球内。相反,归因于MnCO 3的特征峰和甘油都在500℃退火后的最终产品的FTIR光谱(图2)中消失。位于561.7,602.0和652.1cm -1处的三个特征峰归属于Mn 2 O 3的 Mn-O伸缩振动。然而,归属于C = O基团的位于1634cm -1处的弱峰仍然出现在谱图中,这表明存在由于甘油碳化而产生的残余活性炭。

      图2. (a)前体和(b)活性炭氧化锰提的FTIR光谱。(c)前体和(d)活性炭氧化锰提的X射线光电子能谱(XPS)C1s谱。(a,b)中的插图分别突出了来自2800-4000cm -1的前体和最终产物的FTIR光谱,其中纵轴放大。

      为了进一步评估的材料的能量储存性能,不对称超级电容器(图3)通过用活性炭氧化锰作为正极材料和活性炭作为负极材料。图3示出的活性炭氧化锰之CV曲线2 ? 3 -500 // AC在KOH(6M)电解质溶液在5,10,20,50和100毫伏s的扫描速率测得的不对称超级电容器-1分别。在活性炭氧化锰// 活性炭的CV曲线中可以观察到两种类型的氧化还原峰。此外,活性炭氧化锰的电位窗口2 ? 3-500 // 活性炭不对称超级电容器增加到2 V,几乎是含水电解质中活性炭(AC)制成的传统电容器的两倍。图3b显示了不对称超级电容器在各种电流密度下的恒电流充电/放电曲线。根据活性炭氧化锰 // 活性炭电池的放电曲线,基于活性材料总质量计算的比电容(图3c)是140,121,102,97,91和84 FG-1以0.5,1,2,4,8和16的Ag电流密度-1,分别?;钚蕴垦趸痰难肺榷ㄐ?500 // 活性炭不对称赝电容器进一步研究了恒电流充电/放电循环0和2 V之间在电流密度为4 Ag -1。连续进行5000次循环的总数,随着循环测试,电池比电容的变化如图3d所示。 Fg -1的比电容在开始的300个循环中保持稳定,1.6%,最后返回并保持在106.1 F g -1直到5000次循环。与初始值相比,该器件在循环5000次后可以保持其比电容值的109.4%。EIS谱图(图3)e)进一步表明它在高频区具有半圆的最小半径,并且在低频区其斜率高于45°。这证实电阻不是可确定的因素,并且电极可以更有效地存储电荷。使用活性炭和锰制成的电极也显示增强的导电性。

      图3.活性炭氧化锰 //活性炭(AC)不对称超级电容器的电化学性能。(a)不同扫描速率下的循环伏安(CV)曲线,(b)不同电流密度下的充电/放电曲线,(c)不同电流密度下的比电容; (d)在6M的KOH电解质中的循环稳定性和库仑效率,(e)奈奎斯特阻抗谱。

      基于逐步自组装生长的方法,可以首先在甘油中制备具有良好控制的尺寸和形态的单分散的MnCO 3前体微球体,然后将其转化为分级的多孔Mn 2 O 3通过在400,500和600℃下退火8小时,大规模涂覆活性炭的微球体。我们可以通过简单地使用甘油作为溶剂合成活性炭层来装饰Mn基电极材料,然后在较高温度下原位碳化生物质。根据一系列的实验测试发现这些材料的高度增强的电化学性能可归因于它们的表面的活性炭涂层。

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