表面反应控制制备共轴介孔碳/氧化锰纳米管复合材料及电化学性能

The electrode materials are the most crucial factor for supercapacitor performance. The effective coupling between manganese oxide and carbon material can significantly enhance the energy density of supercapacitors. Based on the features of easy forming film of dopamine and the rich functional groups of the corresponding polymer, this project plans to design and fabricate one-dimensional coaxial manganese oxide@mesoporous carbon/manganese oxide/mesoporous carbon nanocomposites, depending on the facts that polydopamine can be carbonized into mesoporous carbon, and react with manganese ion to form manganese oxide, respectively. The nanocomposite is synthesized to realize the coupling of electrochemical performance between mesoporous carbon and manganese oxide, and to build the control method of the microstructure of the composite. The characterization of surface chemical reaction of polydopamine and manganese ion will be clarified for the control of thickness and pore size of mesoporous carbon. The coupling effect will be revealed between mesoporous carbon of high power density and manganese oxide of high energy density. The relationship of microstructure and electrochemical performance of electrode materials will be established. More significantly, this study will provide a new insight for constructing supercapacitor electrode materials of high energy density, high power density and long cycle life.

电极材料是影响超级电容器性能的最核心因素，氧化锰与碳材料的有效耦合可以显著提高其能量密度。基于多巴胺易于成膜且其聚合物具有丰富功能基团，本项目利用聚多巴胺碳化形成介孔碳及其功能团与锰离子反应生成氧化锰，设计和制备一维氧化锰@介孔碳/氧化锰/介孔碳共轴纳米复合电极材料，实现介孔碳与氧化锰电化学性能的耦合，建立复合材料的微结构控制方法。明确锰离子与聚多巴胺之间的表面化学反应特征，实现介孔碳厚度、孔径大小等的控制。揭示具有高功率密度的介孔碳和高能量密度的氧化锰之间的耦合效应，建立材料微结构与电化学性能之间的构效关系，为构筑高能量密度、高功率密度和长循环寿命的超级电容器用电极材料提供新思路。

电极材料是影响超级电容器性能的核心因素。利用高功率密度的介孔碳和高能量密度的氧化锰之间的强耦合效应，项目创新性地发展了界面限域反应控制制备多级结构杂化电极材料的新思路，通过金属氧化物与三维碳材料的结构设计和的耦合，发挥不同尺度下的优势互补，显著提升复合材料的电化学性能。并研究了复合材料的微结构控制方法及其与应用性能之间的关系，主要成果包括：.1. 利用多巴胺易于成膜的特性及其聚合物丰富的功能基团与金属Ag离子的络合反应，创新性地制备了均匀嵌有Ag纳米晶的介孔碳/MnO（MnO/Ag@MC）共轴结构纳米复合材料，显著改善了氧化锰材料电导率低并有效减少了活性材料的溶解，电化学性能得到明显提高；.2. 通过控制低结晶度氧化物前驱体在纳米管内的限域分解和体积收缩过程，实现了豆荚状金属氧化物/碳异质结构的制备，该结构展示出高的放电比容量和优异的循环稳定性，有效解决了锂化过程中材料体积显著膨胀所造成的活性材料部分溶解和结构破坏等问题；.3. 基于CVD法生长碳纳米管撑开还原氧化石墨纳米片形成具有高导电性的三维碳骨架，然后借助高锰酸钾溶液的强氧化性实现了超薄氧化锰纳米片在碳骨架表面的生长，制备了rGO/CNTs/MnO2三元多级结构杂化材料，显著提高了复合材料的大电流充放电能力；.4. 借助二氧化硅纳米球为模板，利用多巴胺易于成膜的特性，制备了尺寸均一、壳层厚度可控的氮掺杂介孔碳纳米空心球（HMCNs），作为负极；进一步利用强氧化性高锰酸钾的强氧化性实现了超薄氧化锰纳米片在HMCNs表面的均匀生长，制备得到中空核壳结构的MnO2/C纳米空心球，作为正极。基于上述正负极材料，以1 M的Na2SO4溶液作为电解液，进一步组装MnO2/C//HMCNs不对称超级电容器。在中性水系电解液中的工作电压可以提高到2.0 V，显著提高了其能量密度。.申请中国发明专利4项，授权1项。发表SCI论文9篇，包括Energy Environ. Sci.、ACS Nano、Small、J. Power Sources、Ind. Eng. Chem. Res.以及《中国科学：化学》等，其中ESI高引论文2篇，ESI热点论文1篇。项目立项以来，承担人作为第二完成人获得了上海市自然科学一等奖；获得国家自然科学优秀青年基金资助，入选教育部新世纪优秀人才以及受聘上海高校（东方学者）特聘教授。培养研究生5名。