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图1. (a)双层电极的电化学测试和变形观测示意图;(b)不同扫速下的比容量和最大弯曲角度对比;(c)两种扫速下的电化学驱动过程照片;(d)弯曲角度和驱动变形量的统计。
通过分析电极的电化学数据和变形过程,发现该双层薄膜的变形和MnO2的电荷储存过程有着密切的关系。使用原位原子力显微镜、原位拉曼光谱测试和第一性原理计算分析发现:在电化学扫描过程中,MnO2材料的本征氧化还原赝电容行为(Mn元素价态的可逆转换),伴随着电解液中Na+离子的嵌入脱出,导致了MnO2微米球的可逆膨胀与收缩。这种体积变化,与非活性并且没有变化的金属Ni层对抗,引起了自支撑的MnO2/Ni双层电极薄膜电极的可逆变形。这与有限元分析仿真得到的结果一致,表明了机理研究的准确性。
图2.自支撑双层电极电化学驱动的机理展示示意图和测试、表征数据概括。
该研究实现了氧化还原赝电容性的MnO2材料新的应用,并且系统梳理了电化学电容器和电化学驱动器两种电化学器件之间的内在联系。更重要的是,该项工作对未来开发更优异的电化学驱动器具有重要意义。该研究工作近期在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201806778)。工作得到了国家自然科学基金和兰州化物所“一三五”规划重点培育项目的资助和支持。
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