碳布表面二氧化锰的缺陷强化及其电容性质研究

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二氧化锰(MnO2)以其高理论比电容(1370 F g-1)、低成本、来源广等优点成为一种极具发展潜力的赝电容型电极材料。然而,MnO2固有的低电导率及充放电过程中的结构崩塌等不足严重阻碍了MnO2基电极材料在超级电容器领域的应用和发展。近年来,缺陷工程技术被认为能有效提升MnO2基电极材料的电化学性能。目前,针对MnO2的缺陷工程技术大多存在步骤繁琐、缺陷难以调控等问题。为此,本论文通过等离子体处理和碳量子点(CQDs)诱导,对碳布(CC)表面原位生长的MnO2纳米材料进行了缺陷强化,系统研究了缺陷强化前后MnO2纳米材料的电化学性能,分析了缺陷强化对其电化学性能的影响。主要研究结果如下:(1)采用N2等离子体对CC表面原位生长的仙人掌状MnO2纳米多级结构进行了缺陷强化处理,并研究了其电容性质。结果表明,经过N2等离子体处理的纳米MnO2(N-MnO2)具有更为丰富的氧空位和更低的结晶度。基于N-MnO2特殊的形态结构以及丰富的氧空位,所制备的N-MnO2@CC电极在1 M Na2SO4体系中,电流密度为5 m A cm-2时的比电容为5320 m F cm-2(443.3 F g-1);而未处理的MnO2@CC电极在相同条件下的比电容仅为3220 m F cm-2(268 F g-1)。此外,N-MnO2@CC电极具有优异的倍率性能,电流密度为20 m A cm-2时,电容保持率为71.8%;N-MnO2@CC电极还具有优异的循环性能,在电流密度为20 m A cm-2条件下,8 000次恒电流充放电后电容保持率为96%。将N-MnO2@CC电极和活化的碳布(ACC)组装成水系非对称超级电容器器件(N-MnO2@CC//ACC ASC),其工作电压可达2 V;该器件在电流密度为5 m A cm-2时,功率密度为5.14 m W cm-2(420 W kg-1),能量密度为0.56 m Wh cm-2(46 Wh kg-1)。此外,该器件还展示出优异的循环稳定性,4 000次恒电流充放电循环后,其电容保持率为90%。(2)采用电化学沉积方法在CC表面原位生长了CQDs/MnO2复合纳米材料,并研究了其电容性能。结果表明,CQDs的诱导作用能增加MnO2纳米片的氧空位,并降低其结晶度。此外,CQDs的诱导作用还能影响MnO2纳米片的形态,改善其结构稳定性。基于其特殊的形态结构以及CQDs和MnO2之间的强耦合作用,所制备的CQDs/MnO2@CC电极具有较好的电容性能。在1 M Na2SO4体系中,当电流密度为1 A g-1(1.4 m A cm-2)时CQDs/MnO2@CC电极的比电容为334.5F g-1,高于MnO2@CC电极的194 F g-1。此外,CQDs/MnO2@CC电极具有优异的倍率性能,电流密度为10 A g-1时,可逆电容保持率为76.5%。另外,CQDs/MnO2@CC电极还具有较优异的循环性能,电流密度为5 A g-1条件下,6000次恒电流充放电后电容保持率为90%。将CQDs/MnO2@CC电极和活化的碳布(ACC)组装成水系非对称超级电容器器件(CQDs/MnO2@CC//ACC ASC),其工作电压可达2 V;该器件在电流密度为1 A g-1时,功率密度为990 W kg-1,能量密度为68.2 Wh kg-1。此外,该器件还展示出优异的循环稳定性,电流密度为5 A g-1时6 000次恒电流充放电循环后,其电容保持率为96.5%。
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