快速成核法可控制备高性能无定形α-MnO2超级电容器电极材料的研究

二氧化锰用作超级电容器电极材料已成为研究热点。本研究拟在不降低单位面积担载量的前提下，寻找一种快速简易的既能提高二氧化锰颗粒比容量，又能提高其本身充放电循环次数的制备方法。针对非晶二氧化锰纳米颗粒在作为超级电容器电极材料时电化学稳定性差，而高结晶二氧化锰纳米颗粒在作为超级电容器电极材料时比容量较低的问题，本研究拟在快速成核技术的基础上，利用表面修饰和聚合物刷锚固的方法来可控制备具有高比容量和良好电化学稳定性的非晶二氧化锰纳米颗粒。基于快速成核技术，使用不影响电子传递的有机小分子原位包裹二氧化锰纳米颗粒的方法，制备具有高比容量和良好电化学稳定性的二氧化锰基复合电极材料；其次，基于快速成核技术，利用PMAA-Na聚合物刷侧链能够锚固二氧化锰的性质，制备具有高比容量和良好电化学稳定性的碳基-PMAA-二氧化锰复合电极材料。

项目研究工作紧紧围绕项目年度计划进行，完成了项目的研究内容，达成预定目标。针对无定型二氧化锰纳米颗粒在作为超级电容器电极材料时电化学稳定性差，而高结晶二氧化锰纳米颗粒作为超级电容器电极材料时比容量较低的问题，本研究首先基于快速成核技术，使用离子液体原位包裹二氧化锰纳米颗粒，该材料的比电容为39 F•g-1，充放电10000次后，比电容值为30 F•g-1，电性能稳定但比电容值偏低。其次，制备了碳基-聚甲基丙烯酸钠-二氧化锰复合电极材料，在电流密度0.5 A•g-1时进行了8000次的充放电循环，在前4000次的充放电循环中，复合材料的比容量从368.75 F•g-1衰减到 339.25 F•g-1，随后的4000次充放电循环中衰减到305.33 F•g-1，说明聚电解质刷连接的氧化石墨烯和二氧化锰具有很好的电化学稳定性。.但是，所制备的有机小分子原位包裹二氧化锰纳米颗粒的比电容值偏低，为此我们尝试改变二氧化锰的形貌与尺寸以提高其性能。制备的MnO2纳米线放电容量为316 mAh/g，充电容量为279 mAh/g。另外以蜡烛灰为原料制备了粒径为2-10 nm的洋葱碳，具有较高的比表面积。10000次充放电后洋葱碳的比容量只衰减了1.5%。为进一步提高其比容量，制备了绒球状二氧化锰包覆洋葱碳纳米复合材料，该复合材料的比容量高达309 F•g-1。我们还尝试通过模板-恒电位法在还原氧化石墨烯表面制备了直径约100 nm的聚苯胺纳米线阵列，该材料具有高的比电容，其值最高可达990 F•g-1。该电极材料质量轻且不需要额外添加导电剂，可有效减小电极质量。因本项目需完成三元复合材料的制备以提高电极材料的稳定性，我们还提出了电调控表面引发原子转移自由基聚合的新方法，基于表面引发聚合的方法制备了有机无机复合材料以及研究了聚电解质刷的电荷传输行为，这些工作为三元复合电极材料的制备及性能研究提供了大量的数据支持并奠定了理论基础。.通过以上的研究工作，发展了具有高比容量及良好的电化学稳定性的超级电容器用的电极材料，探索了相关原理，建立了提高二氧化锰比容量和电化学稳定性的方法和技术，为我国新型高效低碳储电设备电极材料的开发提供理论依据和技术基础。项目执行期间，研究结果以研究论文的形式报道，在国内外刊物上发表了8篇论文。