锰基金属复合分级多孔碳材料的制备及其超级电容特性研究开题报告

 2022-01-14 09:01

全文总字数:4446字

1. 研究目的与意义及国内外研究现状

随着全球生态系统日益脆弱,意味着能源问题与发展的可持续性问题已摆在人类面前。为了应对挑战,世界各国开始研究各种新型清洁能源。未来新能源的主要特点是能量释放效率极高,然而要想做到充分利用,就要有相应的新型储能装置。影响超级电容器性能差异的因素有很多,其中最基本的因素是电极材料。电极材料包括碳材料、过渡族金属氧化物材料和导电聚合物材料。

超级电容器发展的核心是电极材料。超级电容器的电极材料有很多种,比如碳基电极材料,过渡金属氧化物材料和导电聚合物材料。在这些材料中,碳电极电容器具有比功率高、循环寿命长、化学稳定性好和成本低等优点,但是比容量较低。氧化钌具有良好的电容特性,在昂贵的价格大大限制了它的应用。在常用的导电聚合物中,聚苯胺的理论比容量相对较大,导电性和氧化还原性好,并且其单体来源广泛,价格低廉,制备方法简便,但最大的缺点是循环性能较差。碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料的性能总有一定的局限性,均不能完全满足超级电容器各方面的性能要求。

碳材料、金属氧化物、导电聚合物他们有各自的优势和劣势,若他们单一的作为超级电容器的电极材料,不能达到超级电容器的性能要求。针对这样的问题,我们可以将碳材料、金属氧化物、导电聚合物这三种材料中的两种或两种以上电极材料结合起来,从而使他们成为复合材料。通过比较发现,使用复合材料的超级电容器的性能更加高效稳定。面对以上情况,我们可以将两种或两种以上电极材料结合起来组成复合电极材料,使不同类型材料之间的性能相互补偿,从而获得比单种材料更加优异的电容性能。

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2. 研究的基本内容

超级电容器在电极材料方面,也面临着一定的问题与挑战。比如,关于超级电容器的储能密度,我们要尽量的提高。因此我们可以将碳材料、金属氧化物、导电聚合物两两组合或两种以上电极材料结合起来,构成超级电容器的复合电极材料。通过使用他们作为超级电容器的电极材料,使超级电容器获得更好地性能。多孔碳材料不仅具有碳材料化学稳定高、导电性好等优点,由于多孔结构的引入,还具有比表面积高、孔道结构丰富、孔径可调等特点,在催化、吸附和电化学储能等方而都得到了广泛的应用。而锰基过渡金属氧化物因为价格低廉,绿色环保等优点日益受到关注。其中氧化锰电极表现出较好的电容性能,但是本身导电性能非常低,即使作为电极材料,其电子传输率也不高,而且氧化还原只发生在表面及亚表面,因此考虑锰基复合材料的制备及研究。通过制备锰基金属复合分级多孔碳材料提高其利用率以及电化学性能。

在超级电容器复合电极材料中,各个物质的优势性能相互协调互补,因此得到的超级电容器复合材料具有诸多的优势,如有更高的电导率、更大的比电容以及更良好的循环稳定性。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

2018.04-2018.06:查阅各种文献,对多孔碳超级电容器的性能及应用领域进行了解,掌握其工作原理及其在使用过程中的不足,提出改进方案。

2018.07-2018.09:提出制备流程,包括所需要的制备材料和实验仪器,根据流程有序地展开制备实验,最终得到成品多孔碳材料。

2018.10-2018.12:采用sem、xrd、电化学工作站等测试技术对超级电容器电极材料进行表征,表征超级电容器的性能。

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4. 参考文献

[1] conway,b.e, electrochemical supercapacitors,scientific fundamentals and technological applications, kluwer academic/plenumpublishers, 1997

[2] andrew,b,ultracapacitors:why,how, and where is thetechnology, journal of power sources, 2000, 91 (1), 37-50

[3] gamby, j, taberna,p.l, simon, p, et al, studiesand characterizations of various activated carbons used for carbon/carbonsupercapacitors, journal of power sources, 2001, 101 (1), 109

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