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1 成果簡介
錳氧化物已成為超級電容器的理想電極材料。盡管人們通過各種錳氧化物/導體納米復合材料努力提高其導電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但實現(xiàn)高效可靠的儲能電極材料仍具有挑戰(zhàn)性。本文，武漢工程大學 黃華波 副教授、季家友 教授等在《POLYMER COMPOSITES》期刊發(fā)表名為“Graphene wrapped porous polyaniline/manganese oxide nanocomposites with enhanced structural stability and conductivity for high-performance symmetric supercapacitor”的論文，研究提出了一種細致的 “雙重增強 ”策略，即通過原位法合成三維（3D）納米結(jié)構(gòu)的聚苯胺/氧化錳復合材料（PM），并進一步與石墨烯包覆層整合形成聚苯胺/氧化錳/石墨烯納米復合材料（PMG）。
電化學特性分析表明，PMG 的比電容高達 403 F g-1（1 A g-1），5000 次循環(huán)后的電容保持率為 80.2%，并具有較寬的電位窗口。這種增強歸功于聚苯胺和石墨烯的協(xié)同效應(yīng)，聚苯胺提供了支撐框架和電子傳輸途徑，而石墨烯提供了外部保護并增強了導電途徑。組裝好的對稱超級電容器在 1.8 V 的高工作電壓下表現(xiàn)出卓越的能量密度（32.7-23.3 Wh kg-1）和功率密度（720-4500 W kg-1），超越了許多已報道的高性能超級電容器的性能。這項研究為推動氧化錳電極材料的發(fā)展提供了寶貴的見解，有望促進其在儲能應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用。
2 圖文導讀
圖1、PMG 合成程序示意圖。
圖2、PMG-1：2、PMG-1：3、PMG-1：4 和 PM 的 XRD 圖譜和 FTIR 光譜。
圖3、3D-PANI （A）、PM （B）、PMG-1：2 （C、D） 的 SEM 圖像。PMG 的 TEM 圖像 （E） 和 PMG-1：2 的氧化錳區(qū)域的 HR-TEM 圖像 （F）。PMG-1：2 （G） 的 SEM 圖像及其 C （H）、Mn （I） 和 O （J） 的元素分布映射圖像。
圖4、PMG-1：2 的 XPS 測量光譜 （A），以及帶有 C1s （B）、N1s （C） 和 Mn2p （D） 去卷積峰的高分辨率 XPS 光譜。
圖5、三電極系統(tǒng)中各種電極材料的電化學性能。
圖6、動力學分析。
圖6、由兩個相同的 PMG-1：2 組裝而成的對稱超級電容器的電化學性能
3 小結(jié)
本研究采用 “雙重增強 ”策略成功制備了三維納米結(jié)構(gòu)聚苯胺/氧化錳/石墨烯（PMG）復合材料，并將其成功應(yīng)用于高性能對稱超級電容器。通過原位形成和rGO封裝，PMG 復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的導電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過傅立葉變換紅外光譜（FTIR）、X射線衍射（XRD）、XPS、掃描電鏡（SEM）、電子顯微鏡（TEM）等對復合材料的化學組成、結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)進行了全面表征和證明。使用三電極系統(tǒng)研究了 PMG 的電化學特性。實驗結(jié)果表明，永磁發(fā)電機的比電容在 1Ag-1 條件下最大可達403Fg-1，在5Ag-1 條件下循環(huán) 5000次后電容保持率為80.2%。
此外，永磁發(fā)電機具有寬電壓窗口（-1至1V），因此適合組裝對稱超級電容器。不同掃描速率下的 EIS 和 CV 曲線研究表明，在 PMG 中封裝 rGO 可有效優(yōu)化電極材料的電子/離子傳導行為和快速電化學動力學。組裝后的對稱超級電容器在寬工作電壓（1.8V）下表現(xiàn)出優(yōu)異的能量密度和功率密度，在720W kg-1的條件下，最大能量密度和功率密度分別達到32.7Wh kg-1，超過了相關(guān)對稱和非對稱超級電容器的性能。這項研究成功地提出了一種全面的材料設(shè)計策略，為提高超級電容器的性能和擴大其應(yīng)用領(lǐng)域提供了新的可能性，并有望在其他類型的電化學儲能材料和器件中找到進一步的應(yīng)用。
