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石墨烯包裹多孔聚苯胺/氧化錳納米復合材料,用于高性能對稱超級電容器

作者:數(shù)字儲能網(wǎng)新聞中心 來源:材料分析與應(yīng)用 發(fā)布時間:2024-10-28 瀏覽:

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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。


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