《多孔結構二氧化錳材料的電化學構築與電容特性研究》是依託中南大學，由陳亞擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：多孔結構二氧化錳材料的電化學構築與電容特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳亞
- 依託單位：中南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
超級電容器用二氧化錳電極材料具有環境友好、資源豐富、理論比電容高等優點, 但實際合成的二氧化錳材料通常比電容都不高，這是限制其推廣套用的關鍵問題之一.本項目從最佳化材料的微介觀結構以提高其電容性能的角度出發，提出通過錳及錳合金電沉積-陽極氧化合成二氧化錳電極材料的新方法, 並以此工藝技術方案為對象, 首先圍繞陽極氧化製備二氧化錳材料的內部孔道形成機制與控制方法、晶型結構控制、基於合金共沉積的摻雜改性三個方面開展研究, 在此基礎上系統研究具有不同結構特徵的電極材料在超級電容器工作環境下的電極過程動力學和電容特性，據此對該材料結構與電容特性之間的關係進行全面解析。通過這些研究將形成二氧化錳電極材料的結構可控制備技術基礎，並揭示其微介觀結構與電化學性能之間的構效關係規律,為超級電容器用高比電容二氧化錳材料的製備提供理論依據和技術指導，提升錳資源的深加工利用技術水平。
結題摘要
超級電容器用二氧化錳電極材料具有環境友好、資源豐富、理論比電容高等優點， 但實際合成的二氧化錳材料通常比電容都不高，這是限制其推廣套用的關鍵問題之一，本項目從最佳化材料的微介觀結構以提高其電容性能的角度出發，首先通過電沉積錳鍍層並進行陽極氧化製備無定型多孔二氧化錳電極材料, 對陽極氧化過程中二氧化錳孔道的形成機制進行了研究，發現錳鍍層的陽極氧化過程可分成兩個階段，先從外向內轉化為低價錳氧化物後再從內向外轉化為二氧化錳，氧化過程中釋放的氫離子對材料自身孔道形成起到重要的作用。據此通過最佳化工藝條件在碳紙上製備出了納米片狀無定型二氧化錳，所得材料的比電容達到456 F/g。 採用不同的過渡金屬離子對無定型和d型二氧化錳的摻雜研究結果表明，摻雜對於改善二氧化錳的比電容和倍率性能影響甚微。但材料的後續熱處理對其性能影響顯著，將多孔無定型二氧化錳在空氣中150℃處理後發現，其比電容明顯下降但倍率性能得到了改善。為了探究熱處理對二氧化錳性能的影響規律，將具有1×2隧道結構的ramsdellite型二氧化錳在純水和不同溶液中進行水熱處理，發現在含K+的水溶液中進行水熱處理能夠穩定材料的隧道結構，從而在不降低比電容的前提下顯著改善材料的倍率性能。動力學分析計算表明，除自身的隧道結構外，二氧化錳中Mn4+與Mn3+離子的比率對於材料的倍率性能具有重要的影響。為了進一步探尋二氧化錳的隧道結構對其電容性能的影響，通過水熱控制合成了具有1×1、2×2隧道結構和層狀結構的b、a和d型二氧化錳並對比研究其電容行為，結果表明隧道尺寸較小的b型二氧化錳明顯小於a和d型二氧化錳。最後通過電化學控制合成出了無粘結劑a型二氧化錳電極，其與文獻報導的常規無粘結劑二氧化錳電極（e或y型二氧化錳）相比，其2×2的大尺寸隧道更有利於荷電平衡離子的快速嵌入和脫出，在提高材料的倍率保持率的同時增大了單位面積上活性物質的活性點，比電容可達到624 F/g，展現出了優異的電化學性能。
