溶胶_凝胶法制备超级电容器纳米电极材料

1、第29卷第10期2007年10月武汉理工大学学报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol. 29No. 10Oct. 2007溶胶2凝胶法制备超级电容器纳米电极材料 门传玲, (摘要:采用溶胶。借助X 射线衍射(XRD 、透射电子显微镜(TEM 2MnO 2。粒径分布均匀, 约在20nm 左右。在2mol/L (NH 4 2SO 4, 0. 10. 8V (vs SCE 范围内, 通过循环伏安实验, 显示出氧化锰复合电极具有较好的电容特性。关键词:溶胶2凝胶; 超级电容器; 氧化锰; 电容特性中图分类号:TM 53; TM 911文献标

2、志码:A 文章编号:167124431(2007 1020134203Preparation of N ano 2manganese Dioxide Electrode Materials forSupercapacitors by Sol 2G el MethodM EN Chuan 2li ng , ZHA N G Qi ng 2hua(University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 200093,China Abstract :Nano 2manganese dioxide electrode materials

3、for su percapacitor applications were synthesized by sol 2gel method and characterized with X 2ray diffraction (XRD , transmission electron microscopy (TEM . The results showed that the dominant phase is 2MnO 2and the particle had a uniform size distribution of about 20nm. In 2mol/L (NH 4 2SO 4solut

4、ion , cyclic voltammograms with the potential window range from 0. 1to 0. 8V (vs. SCE indicated a fairly good capacitance performance. K ey w ords :sol 2gel ; super capacitors ; nano 2manganese ; capacitance performance超级电容器是本世纪重点发展的新型储能产品之一。它是一种介于传统电容器和电池之间的新型组件, 比传统电容器具有更高比电容量和能量密度, 与电池相比具有更高的功率密度

5、, 在移动通讯、信息技术、工业领域、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有重要和广阔的应用前景, 已成为国际上研究热点1,2。超级电容器分为双电层电容器和赝电容器, 其中赝电容器具有比双电层电容器更高的比容量, 因此更具有发展潜力。赝电容器的电极材料主要是过渡金属氧化物, 如氧化钌、氧化镍、氧化钴和氧化锰等。目前, 赝电容电容器研究最成功的是氧化钌/硫酸体系, 但氧化钌价格高昂, 且硫酸溶液对集流体要求较高, 从而限制了氧化钌的广泛应用。而氧化镍和氧化钴存在电化学窗口过窄, 对提高能量密度不利。氧化锰作为超级电容器电极材料的研究刚刚兴起, 且氧化锰资源广泛, 价格低廉, 环境友好,

6、具有多种氧化价态, 电化学窗口较宽, 电化学性能好, 因此倍受研究人员的关注3。近年来, 氧化锰的制备方法有所进展, 已经报道的有电化学沉积法、热分解法、低温固相反应法、液相共沉淀法等4。实验采用溶胶2凝胶(sol 2gel 法制备超级电容器用纳米氧化锰电极材料。用TEM 、XRD 对其进行表征, 通过循环伏安实验对其电容特性进行研究。收稿日期:2007206229.作者简介:门传玲(19702 , 女, 讲师, 博士. E 2mail :anziloveling. cn第29卷第10期门传玲, 等:溶胶2凝胶法制备超级电容器纳米电极材料1351实验1 氧化锰材料的制备和表征称取一定量醋酸锰溶

7、解于蒸馏水中加入少量柠檬酸, 完全溶解后, 用氨水调其p H 值为6左右。5070下脱水得淡粉色湿凝胶。在110120下进一步失水得干凝胶, 研细后在马弗炉中300下煅烧17h , 得到棕黑色粉末样品。样品的形貌使用J EM 22010型透射电子显微镜进行分析。XRD 谱是在D/max 2550V 型X 射线衍射仪上测得,Cu K 为X 射线源。2 电极的电化学测试将氧化锰样品与超细活性炭混合后, 按照MnO 2/超细活性炭乙炔黑、PTFE 以410. 25的质量比进行均匀混合, , 在12MPa 压力下压成面积为2cm 2的电极。2mol/L 的(N H 4 24/极为工作电极, 饱和甘汞电

8、极(SCE 为参比电极, , (CV 实22. 1采用凝胶2溶胶法来制备纳米级的氧表1柠檬酸和醋酸锰浓度比对形成溶胶的影响化锰粉体, 首先面临的问题是如何制备好Ratio 10. 60. 50. 450. 40. 30. 20. 1的溶胶, 为此进行了合成胶体最佳条件的S ol NON E NON E HAV E HAV E HAV E HAV E HAV E HAV E 选择。在制备溶胶时, 原料起始浓度, 溶液p H 值, 反应物浓度之比等均影响胶体的形成及其稳定性。在溶液p H 值相同的条件下, 考察原料起始浓度之比对溶胶形成的影响, 如表1所示, 柠檬酸和醋酸锰摩尔浓度之比应在0. 1

9、0. 6之间, 才能形成溶胶。2. 2材料的结构与微观形貌图1是溶胶2凝胶法制得的纳米MnO 2样品的X 射线衍射(XRD 谱。由图1可知, 除了第1条由背景噪音引起的衍射峰外; 样品在37°、42°、56°等附近出现强烈的衍射峰, 表明样品中含有2MnO 2; 同时在24°、36°、18°、45. 6°等附近出现衍射峰, 证明有Mn 2O 3和Mn 3O 4存在。这表明由醋酸锰和柠檬酸通过螯合反应得到的MnO 2样品的主晶相是2MnO 2, 并且含有少量Mn 2O 3、Mn 3O 4。图2是氧化锰粉末的透射电子显微镜(TE

10、M 照片。由图2可以看到, 制得的氧化锰样品为不规则状, 粒度分布比较均匀, 粒径约为20nm 左右。这表明通过调节制备工艺条件, 采用溶胶2凝胶法可以制得粒度分布均匀的纳米级氧化锰。2. 3电极材料的电容特性循环伏安法是研究电极在电解液体系中的电化学行为的一种常用的方法。图3为纳米二氧化锰复合电极在不同扫描速度下的循环伏安曲线, 电解液为2mol/L(N H 4 2SO 4, 工作电位范围0. 10. 8V (vs. SCE 。由图3可知,CV 曲线基本上为镜像对称, 显示出了良好的电容特性。CV 曲线在扫描电位窗口范围内具有较好的方型特征, 无明显氧化还原峰, 阴极过程和阳极过程基本对称,

11、 这表明该电极以恒定速率进行充放电, 电极的电位变武汉理工大学学报2007年10月136化对电极的容量没有明显的影响, 即电极和电解液之间的电荷交换以恒定速率进行, 电极具有良好的可逆性, 因而该电极具有良好的充放电性能。3结语采用溶胶2凝胶法, 通过控制工艺条件制备了粒度分布均匀, 粒径20nm 左右的纳米氧化锰, 电化学测试表明氧化锰/超细活性碳复合电极在2mol/L 的(N H 4 2SO 4溶夜中具有良好的电容特性。参考文献1Saraangapani S , Tilak B V ,Chen C P. Materials for .oc 1996143(11 :379123799.2钟海

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