三维多孔碳纳米管/石墨烯/MnO2复合电极的制备与应用

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随着化石能源的日益枯竭和环境污染日益严重,新能源的开发与应用成为时代主题,超级电容器以其突出的性能优势受到众多科研工作者的热烈追捧,然而能量密度的不足一直是亟待解决的问题,其根本途径在于设计并制备新型电极材料。碳纳米管(CNTs)和石墨烯(Graphene)等碳纳米材料以其独特的纳米尺寸效应、大的比表面积和良好的导电性等,广泛应用于电极材料领域,但是,单一的双电层电容器并不能满足人们对电容性能的需求,因此碳基复合电极材料的研发成为研究热点。二氧化锰的自然储备丰富,无污染且具有高的理论赝电容,是制备金属氧化物电极的绝佳选择,但其自身导电性受到极大限制。通过碳纳米材料为基体复合二氧化锰以提高电极导电性,并利用双电层与赝电容的协同效应恰好能弥补这一不足。现有复合电极材料制备工艺复杂,产物结构和均一性难以保证,且不同材料界面间的结合仍存在一定问题。因此,探索新型复合工艺体系具有重要的理论意义和应用价值。本文利用Cu30Mn70合金条带去合金化制得三维纳米多孔铜(NPC)作为非负载型纳米金属催化剂,通过化学气相沉积(CVD)法一步合成出多孔CNTs和Graphene,系统研究了催化剂、生长温度以及碳源载气等参数对合成碳纳米材料的影响,之后利用氧化还原法和水热法负载Mn02,并以该复合材料制备了超级电容器电极,研究了其电化学性能。研究结果表明:以为非负载型NPC作为催化剂,利用化学气相沉积(CVD)法可一步原位合成结构均一的纳米多孔CNTs/Graphene杂化体。NPC具有较高的催化活性,无需载体制备操作简便,催化剂分布均匀且不易团聚,在630℃还原生长可得到管径约为30-50nm的高产量纳中空米多孔CNTs,产率约220%;以NPC负载Ni/Y作做复合催化剂,在相同条件下可获得了相同形貌产物,但产率显著提高,可达680%:CVD产物经过纯化、等离子处理和活化处理后,比电容性能可由34 F/g提高至194 F/g,且具有较好的倍率性能:对改性过的碳纳米杂化体进行Mn02负载后电容性能可提升至242F/g,5000次充放电循环后,比电容保留98%,碳基体与Mn02界面结合牢靠。
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