纳米多孔铜/二氧化锰复合电极材料的制备及其电化学性能的研究

摘要

本论文选用快速凝固技术与自由脱合金相结合的方法制备三维双连续、孔洞结构均匀的纳米多孔铜(Nanoporous copper,NPC)。并以NPC作为衬底材料，采用无水乙醇还原高锰酸钾的化学沉淀法制备MnO2/NPC复合电极材料。具有高比表面和优异导电性能的NPC作为电极衬底材料可以大幅度提高MnO2颗粒的分散度和电极材料的导电性，从而使MnO2电活性物质被充分利用，比电容得到提高。课题研究内容：利用Cu50Zr50、Cu47.5Zr50Nb2.5和Cu47.5Zr50Ag2.5非晶条带在0.5mol/L HF溶液中脱合金制备NPC，脱合金产物分别记为NPC1、NPC2和NPC3。进而与MnO2复合得到MnO2/NPC复合电极材料。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)分别分析了NPC和复合电极材料的相组成、微观形貌和元素构成及价态。通过循环伏安法、恒电流充放电和交流阻抗测试研究了复合电极材料的电化学性能。 结果表明：Cu50Zr50非晶条带脱合金10min后的韧带/孔洞尺寸约45nm，相同条件下添加微量的Nb和Ag元素可使纳米多孔结构细化且均匀化，从而增大了NPC的比表面积，得到一系列三维双连续、孔洞结构均匀、孔径大小可调的NPC，以其作为衬底材料与MnO2复合，NPC三维连续的孔洞结构改善了纯MnO2易团聚的缺点，增大了电极活性物质的比表面积，可使复合电极材料的比电容得到提高。MnO2/NPC1复合电极材料中，随着NPC1质量比的增加，复合电极材料的电荷转移电阻降低，导电性提高；MnO2分散程度显著提高，其表面形貌由团聚的纳米颗粒，转变为细小、均匀、规则的球形花状结构。NPC2与NPC3的更加细小均匀的纳米多孔结构在复合电极材料中的作用比NPC1更明显，MnO2/NPC1、MnO2/NPC2和MnO2/NPC3复合电极材料在扫描速率为2mV/s时的比电容分别为403、593和505F/g。

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