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活性炭氧化錳提高電容器性能

來源：韓研活性炭網作者：韓研活性炭網 2017-12-11

　　活性炭氧化錳提高電容器性能，超級電容器，和電池的應用，是如今新能源關注的話題，因為涉及材料科學的巨大進步和儲存電荷的理論。最近發(fā)展起來的電容器具有高功率密度，高循環(huán)穩(wěn)定性，高安全性和高能量密度等優(yōu)良的電化學性能，已被應用于消費類電子和電動汽車。為了設計和制造先進的能量存儲裝置，可以使用氧化錳(MnO2，Mn2O3，Mn3O4)中，在組裝電極，用于在他們的理論高容量，低成本，高儲能，以及低消耗的產品。然而，它們在儲存能量方面的應用受到其本質上低導電性的影響。因此，通過構建包括石墨烯，碳納米管，活性炭，等導電材料的分層復合材料來改善材料的電化學性能。活性炭，炭纖維和導電聚合物近年來。當與有關與氧化錳的由能量存儲裝置的廣泛的研究相比，但是有關與活性炭摻入錳制成超級電容器比較少見。

　　至于儲存能量的材料，其形態(tài)和大小，都是影響其實際應用的關鍵。非常希望生產具有受控形狀，多孔結構和尺寸的分級電極材料，以便一致地組裝具有高均勻性和高密度的先進電極。可以首先用溶劑熱方法在甘油和水的混合溶劑中大規(guī)模地制備具有可調直徑的均勻前體MnCO3微球。發(fā)現(xiàn)生物質-甘油可以被包封在MnCO 3內部的空隙中微球在其生長期間形成微型儲庫。原位涂覆活性炭的分級Mn2O3微球可以通過退火攜帶生物質的前體而最終產生。據發(fā)現(xiàn)，甘油已在分層活性炭的合成中發(fā)揮了關鍵作用的Mn2O3微球，不僅作為溶劑，進行產生均勻的前體碳酸錳反應，也可作為生物質以產生活性炭層在表面上的最終產品。Mn2O3用活性炭原位包覆的微球表現(xiàn)出高度增強的贗電容性能，這可歸因于微球的分層結構。具體而言，隨后通過簡單地使用生物質甘油作為溶劑進行合成及其在較高溫度下的原位碳化，打開了用活性炭層裝飾Mn基電極材料的新途徑。這些材料可以用來組裝先進的電極來儲存能量。

　　圖1、甘油在不對稱假電容器的多孔Mn2O3微球表面的原位碳化。(1)在MnCO3微球中逐步自組裝生長甘油儲層; (2)原位碳化在Mn2O3微球表面生成活性炭層和(3)不對稱的超級電容器。

　　為了進一步了解產品表面活性炭層的形成，有必要驗證在所制備的前體微球中被捕獲的甘油的存在。圖2a給出了MnCO 3前體的典型變換紅外(FTIR)譜。在3367.7和1575.6cm -1處的譜帶歸因于表面吸收分子(如水和甘油)引起的O-H基團的伸縮振動。根據平面CO 3 2-離子振動的正常模式，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處的峰也通常與碳酸根陰離子的振動模式相關聯(lián)。在1792.8cm -1處的弱峰歸因于碳酸根基團和二價金屬離子的泛音或組合帶。然而，2964.1和2840.7 cm -1處的弱峰(圖2中插圖)無疑可歸因于由甘油引起的C-H鍵的伸縮振動。出現(xiàn)在1075.2cm -1處的弱峰可以進一步證實甘油的C-O鍵的伸縮振動。前體的FTIR光譜清楚地證實甘油已經被捕獲在前體微球內。相反，歸因于MnCO 3的特征峰和甘油都在500℃退火后的最終產品的FTIR光譜(圖2)中消失。位于561.7,602.0和652.1cm -1處的三個特征峰歸屬于Mn 2 O 3的 Mn-O伸縮振動。然而，歸屬于C = O基團的位于1634cm -1處的弱峰仍然出現(xiàn)在譜圖中，這表明存在由于甘油碳化而產生的殘余活性炭。

　　圖2. (a)前體和(b)活性炭氧化錳提的FTIR光譜。(c)前體和(d)活性炭氧化錳提的X射線光電子能譜(XPS)C1s譜。(a，b)中的插圖分別突出了來自2800-4000cm -1的前體和最終產物的FTIR光譜，其中縱軸放大。

　　為了進一步評估的材料的能量儲存性能，不對稱超級電容器(圖3)通過用活性炭氧化錳作為正極材料和活性炭作為負極材料。圖3示出的活性炭氧化錳之CV曲線2 ? 3 -500 // AC在KOH(6M)電解質溶液在5，10，20，50和100毫伏s的掃描速率測得的不對稱超級電容器-1分別。在活性炭氧化錳// 活性炭的CV曲線中可以觀察到兩種類型的氧化還原峰。此外，活性炭氧化錳的電位窗口2 ? 3-500 // 活性炭不對稱超級電容器增加到2 V，幾乎是含水電解質中活性炭(AC)制成的傳統(tǒng)電容器的兩倍。圖3b顯示了不對稱超級電容器在各種電流密度下的恒電流充電/放電曲線。根據活性炭氧化錳 // 活性炭電池的放電曲線，基于活性材料總質量計算的比電容(圖3c)是140,121,102,97,91和84 FG-1以0.5，1，2，4，8和16的Ag電流密度-1，分別。活性炭氧化錳的循環(huán)穩(wěn)定性-500 // 活性炭不對稱贗電容器進一步研究了恒電流充電/放電循環(huán)0和2 V之間在電流密度為4 Ag -1。連續(xù)進行5000次循環(huán)的總數，隨著循環(huán)測試，電池比電容的變化如圖3d所示。 Fg -1的比電容在開始的300個循環(huán)中保持穩(wěn)定，1.6%，最后返回并保持在106.1 F g -1直到5000次循環(huán)。與初始值相比，該器件在循環(huán)5000次后可以保持其比電容值的109.4%。EIS譜圖(圖3)e)進一步表明它在高頻區(qū)具有半圓的最小半徑，并且在低頻區(qū)其斜率高于45°。這證實電阻不是可確定的因素，并且電極可以更有效地存儲電荷。使用活性炭和錳制成的電極也顯示增強的導電性。

　　圖3.活性炭氧化錳 //活性炭(AC)不對稱超級電容器的電化學性能。(a)不同掃描速率下的循環(huán)伏安(CV)曲線，(b)不同電流密度下的充電/放電曲線，(c)不同電流密度下的比電容; (d)在6M的KOH電解質中的循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率，(e)奈奎斯特阻抗譜。

　　基于逐步自組裝生長的方法，可以首先在甘油中制備具有良好控制的尺寸和形態(tài)的單分散的MnCO 3前體微球體，然后將其轉化為分級的多孔Mn 2 O 3通過在400,500和600℃下退火8小時，大規(guī)模涂覆活性炭的微球體。我們可以通過簡單地使用甘油作為溶劑合成活性炭層來裝飾Mn基電極材料，然后在較高溫度下原位碳化生物質。根據一系列的實驗測試發(fā)現(xiàn)這些材料的高度增強的電化學性能可歸因于它們的表面的活性炭涂層。

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