超级电容器纳米氧化锰电极材料的合成与表征

摘要：以聚乙二醇为分散剂，利用高锰酸钾和醋酸锰溶液之间的化学共沉淀法制备纳米水合氧化锰。借助SEM，TEM，FT-IR，XRD和BET分析手段对样品结构及性能进行表征。研究结果表明，SEM和TEM显示所得粉体为纳米粉体，粒径大约为10～30nm左右，XRD分析表明该粉体为无定型α-MnO2˙nH2O，FT-IR分析表明获得的粉体为水合物，BET测试比表面积达160.7m2/g。以氧化锰为研究电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂片为辅助电极的三电极体系中，以1mol/L的Na2SO4溶液为电解液，通过循环伏安法研究其电化学行为。实验结果表明，纳米氧化锰是理想的超级电容器电极材料，在电位窗口为-0.2～0.9V(vs.SCE)范围内，扫描速度为4mV/s，其比电容达到203.4F/g。

张治安，杨邦朝，邓梅根，胡永达，汪斌华

(电子科技大学微电子与固体电子学院，成都610054)

超级电容器(Supercapacitor)又称电化学电容器(Electrochemical capacitor)或者超大容量电容器(Ultracapacitor)，是一种介于传统电容器和电池之间的新型元件，它比传统电容器具有更高比电容量和能量密度，与电池相比具有更高的功率密度，在移动通讯、信息技术、工业领域、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有重要和广阔的应用前景，已成为国际上研究的热点[1，2]。超级电容器分为双电层电容器(Electric double layer capacitor，EDLC)和赝电容电容器(Pseudocapacitor)，其中赝电容具有比双电层电容更高的比容量，因此更具有发展潜力。赝电容的电极材料主要是过渡金属氧化物，如氧化钌、氧化镍、氧化钴和氧化锰等。目前，赝电容电容器研究最为成功的是氧化钌/H2SO4体系[3]，但氧化钌价格高昂，且H2SO4溶液对集流体要求较高，从而限制了其广泛应用。而氧化镍[4]和氧化钴[5]存在电化学窗口过窄的问题。氧化锰作为超级电容器电极材料的研究刚刚兴起，且氧化锰资源广泛，价格低廉，环境友善，具有多种氧化价态，电化学窗口较宽，电化学性能好，因此倍受研究人员的关注，目前研究重点是制备高比表面积的活性材料。

近年来，氧化锰的制备方法有所进展，已报道的有sol-gel法[6]、电化学沉积法[7]、热分解法[8]、液相共沉淀法[9，10]以及低温固相反应法等[11]技术制备氧化锰微粒，其中液相法制备氧化锰具有设备简单、纯度高、制备工艺因素可控等优点，但是制备的颗粒容易团聚。

本文采取高锰酸钾和醋酸锰之间的液相共沉淀法合成氧化锰，用聚乙二醇作分散剂，通过控制洗涤和干燥等工艺条件，抑制其团聚，制备出纳米级的α-MnO2˙nH2O，用SEM，TEM，FT-IR，XRD和BET手段对其进行了表征，采用三电极体系，通过循环伏安法研究其电化学性能，发现在1mol/L的Na2SO4溶液中电极比容量达到203.4F/g.

1实验部分

1.1样品的合成

准确称取7.90g高锰酸钾(分析纯)，溶解到300mL去离子水中，准确称取18.40g醋酸锰(分析纯)溶解到500mL去离子水中，将两者直接混合，加入一定量的分散剂聚乙二醇(PEG400)，强烈搅拌反应6h，将沉淀产物用去离子水多次洗涤，进行抽滤，然后用无水乙醇洗涤2次，抽滤，在110℃真空干燥箱中烘干12h，而后用玛瑙研钵充分研磨，得到棕黑色的粉末为#1。按照同样的工艺，未加分散剂制得的粉末为#0。

1.2仪器表征

采用JEOL的JSM-5900LV型扫描电镜(SEM)和JEM-100CX型透射电镜(TEM)观察粉体的形貌和粒度。采用NicoletMX-1E型傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)对粉体进行KBr压片后测定红外光谱，光谱范围4000～200cm-1;采用Philips公司的X’PertPro型X射线衍射分析仪对粉体进行物相测试，测试用CuKα作为靶材，波长λ为0.154056nm，管电压为40kV，管电流为40mA，扫描角度范围为10°～70°。采用Autosorp ZXF26型自动物理吸附仪上测定样品的比表面积和孔结构参数，液氮为吸附质，利用BET测定样品的比表面积，B.J.H.法计算孔径分布。