來源：韓研活性炭網(wǎng) 作者：韓研活性炭網(wǎng) 2017-12-11
活性炭氧化錳提高電容器性能，超級(jí)電容器，和電池的應(yīng)用，是如今新能源關(guān)注的話題，因?yàn)樯婕安牧峡茖W(xué)的巨大進(jìn)步和儲(chǔ)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(xué)性能，已被應(yīng)用于消費(fèi)類電子和電動(dòng)汽車。為了設(shè)計(jì)和制造先進(jìn)的能量存儲(chǔ)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(chǔ)能，以及低消耗的產(chǎn)品。然而，它們?cè)趦?chǔ)存能量方面的應(yīng)用受到其本質(zhì)上低導(dǎo)電性的影響。因此，通過構(gòu)建包括石墨烯，碳納米管，活性炭，等導(dǎo)電材料的分層復(fù)合材料來改善材料的電化學(xué)性能。活性炭，炭纖維和導(dǎo)電聚合物近年來。當(dāng)與有關(guān)與氧化錳的由能量存儲(chǔ)裝置的廣泛的研究相比，但是有關(guān)與活性炭摻入錳制成超級(jí)電容器比較少見。
至于儲(chǔ)存能量的材料，其形態(tài)和大小，都是影響其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。非常希望生產(chǎn)具有受控形狀，多孔結(jié)構(gòu)和尺寸的分級(jí)電極材料，以便一致地組裝具有高均勻性和高密度的先進(jìn)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(diào)直徑的均勻前體MnCO3微球。發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)-甘油可以被包封在MnCO 3內(nèi)部的空隙中微球在其生長(zhǎng)期間形成微型儲(chǔ)庫。原位涂覆活性炭的分級(jí)Mn2O3微球可以通過退火攜帶生物質(zhì)的前體而最終產(chǎn)生。據(jù)發(fā)現(xiàn)，甘油已在分層活性炭的合成中發(fā)揮了關(guān)鍵作用的Mn2O3微球，不僅作為溶劑，進(jìn)行產(chǎn)生均勻的前體碳酸錳反應(yīng)，也可作為生物質(zhì)以產(chǎn)生活性炭層在表面上的最終產(chǎn)品。Mn2O3用活性炭原位包覆的微球表現(xiàn)出高度增強(qiáng)的贗電容性能，這可歸因于微球的分層結(jié)構(gòu)。具體而言，隨后通過簡(jiǎn)單地使用生物質(zhì)甘油作為溶劑進(jìn)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(jìn)的電極來儲(chǔ)存能量。
圖1、甘油在不對(duì)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(zhǎng)甘油儲(chǔ)層; (2)原位碳化在Mn2O3微球表面生成活性炭層和(3)不對(duì)稱的超級(jí)電容器。
為了進(jìn)一步了解產(chǎn)品表面活性炭層的形成，有必要驗(yàn)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(tuán)的伸縮振動(dòng)。根據(jù)平面CO 3 2-離子振動(dòng)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(dòng)模式相關(guān)聯(lián)。在1792.8cm -1處的弱峰歸因于碳酸根基團(tuán)和二價(jià)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(dòng)。出現(xiàn)在1075.2cm -1處的弱峰可以進(jìn)一步證實(shí)甘油的C-O鍵的伸縮振動(dòng)。前體的FTIR光譜清楚地證實(shí)甘油已經(jīng)被捕獲在前體微球內(nèi)。相反，歸因于MnCO 3的特征峰和甘油都在500℃退火后的最終產(chǎn)品的FTIR光譜(圖2)中消失。位于561.7,602.0和652.1cm -1處的三個(gè)特征峰歸屬于Mn 2 O 3的 Mn-O伸縮振動(dòng)。然而，歸屬于C = O基團(tuán)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(chǎn)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(chǎn)物的FTIR光譜，其中縱軸放大。
為了進(jìn)一步評(píng)估的材料的能量?jī)?chǔ)存性能，不對(duì)稱超級(jí)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(fù)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(zhì)溶液在5，10，20，50和100毫伏s的掃描速率測(cè)得的不對(duì)稱超級(jí)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(duì)稱超級(jí)電容器增加到2 V，幾乎是含水電解質(zhì)中活性炭(AC)制成的傳統(tǒng)電容器的兩倍。圖3b顯示了不對(duì)稱超級(jí)電容器在各種電流密度下的恒電流充電/放電曲線。根據(jù)活性炭氧化錳 // 活性炭電池的放電曲線，基于活性材料總質(zhì)量計(jì)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(duì)稱贗電容器進(jìn)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(jìn)行5000次循環(huán)的總數(shù)，隨著循環(huán)測(cè)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(gè)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(jìn)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(shí)電阻不是可確定的因素，并且電極可以更有效地存儲(chǔ)電荷。使用活性炭和錳制成的電極也顯示增強(qiáng)的導(dǎo)電性。
圖3.活性炭氧化錳 //活性炭(AC)不對(duì)稱超級(jí)電容器的電化學(xué)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(zhì)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(zhǎng)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(zhuǎn)化為分級(jí)的多孔Mn 2 O 3通過在400,500和600℃下退火8小時(shí)，大規(guī)模涂覆活性炭的微球體。我們可以通過簡(jiǎn)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(zhì)。根據(jù)一系列的實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)這些材料的高度增強(qiáng)的電化學(xué)性能可歸因于它們的表面的活性炭涂層。
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