基本信息
- 项目名称：
- 简单方法合成gamma-MnOOH纳米棒及其电化学电容性质
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 作品介绍一种简单制备gamma-MnOOH单晶纳米棒的方法，并研究合成条件对产物形貌的影响，并提出其可能生长机理。在此基础上，以gamma-MnOOH纳米棒为电活性材料制作超级电容器电极，用循环伏安法和恒电流充放电技术研究该电极的电化学电容性质。
- 详细介绍：
- 作品以高锰酸钾为锰源，N, N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，在无模板和表面活性剂的条件下，通过简单的溶剂热法成功地合成了长度达几百纳米的gamma-MnOOH单晶纳米棒。用X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)对产品进行了表征。研究了温度、时间等反应条件对产物形貌的影响，并提出了其可能生长机理。在此基础上，通过循环伏安和恒电流充放电法研究了gamma-MnOOH纳米棒的电化学电容性质。在0.5 A/g电流密度下，根据恒电流放电曲线计算出gamma-MnOOH纳米棒的比电容为131.9 F/g。电化学实验结果表明，gamma-MnOOH纳米棒具有优异的电化学性能，是超级电容器的候选电极材料之一。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 介绍一种简单制备gamma-MnOOH单晶纳米棒的方法，并研究合成条件对产物形貌的影响，并提出其可能生长机理。在此基础上，以gamma-MnOOH纳米棒为电活性材料制作超级电容器电极，用循环伏安法和恒电流充放电技术研究该电极的电化学电容性质。
科学性、先进性及独特之处
- 1)gamma-MnOOH纳米棒的制备方法简单、操作简便，产物纯度高。 2)合成过程中不使用任何添加剂或模板，也不需外加还原剂。 3)合成过程中仅使用2种原料，且能实现gamma-MnOOH形貌的准确控制。 4)gamma-MnOOH纳米棒具有较好的电化学电容性质，是一种优良的超级电容器候选电极材料。
应用价值和现实意义
- 作品提供的gamma-MnOOH单晶纳米棒的制备方法无需模板、表面活性剂以及外加还原剂，产物纯度高，粒径分布均匀，工艺简单，操作简便，条件温和，适于工业化生产。gamma-MnOOH纳米棒具有良好的电化学电容性质，为其在超级电容器中的应用奠定一定的理论基础。
学术论文摘要
- 以KMnO4为锰源，N, N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，在无模板和表面活性剂的条件下，通过简单的溶剂热法成功地合成了长度达几百纳米的gmma-MnOOH单晶纳米棒。用X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)对产品进行了表征。通过循环伏安和恒电流充放电法研究了gamma-MnOOH纳米棒的电化学电容性质。在0.5 A/g电流密度下，根据恒电流放电曲线计算出gamma-MnOOH纳米棒的比电容为131.9 F/g。电化学实验结果表明，gamma-MnOOH纳米棒具有优异的电化学性能，是超级电容器的候选电极材料之一。
获奖情况
- 1) 2011年"A facile route to growth of gamma-MnOOH nanorods and electrochemical capacitance properties," 发表于J Colloid Interf Sci, 2011, 357 (2): 286-291. (影响因子：3.057) 2) 2010年7月申请专利：制备MnOOH纳米棒的方法，申请号：201010218620.4，公开号：CN 101851008 A 3) 2010年12月申请专利：碱式氧化锰纳米棒的制备方法，申请号：201010603528.X
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] M. S. El-Deab, Int J Electrochem Sci, 4[9] 1329-38 (2009). [2] E. Hosono, et al., Nanotechnology, 19[39] 395605 (2008). [3] Y. Li, H. Tan, O. Lebedev, et al., Cryst Growth Des, 10[7] 2969-76 (2010). [4] J. T. Sampanthar and et al., Nanotechnology, 18[2] 025601 (2007). [5] X. Sun, C. Ma, Y. Wang, H. Li, Inorg Chem Commun, 5[10] 747-50 (2002). [6] Q. Tang, X. Gong, C. et al., Catal Commun, 10[7] 1122-26 (2009). [7] Y.-T. Wu and C.-C. Hu, Electrochem Solid-State Lett, 8[5] A240-A44 (2005). [8] R. Yang, Z. Wang, L. Dai, andL. Chen, Mater Chem Phys, 93[1] 149-53 (2005). [9] Z. Y. Yuan, T. Z. Ren, et al., Appl Phys A, 80[4] 743-47 (2005). [10] W. Zhang, Z. Yang, Y. Liu, et al., J Cryst Growth, 263[1-4] 394-99 (2004). [11] Y. C. Zhang, T. Qiao, et al., J Cryst Growth, 280[3-4] 652-57 (2005). [12] Z. Zhang and J. Mu, Solid State Commun, 141[8] 427-30 (2007).
同类课题研究水平概述
- 作为化学能转变为绿色电能装置的新型化学电源，超级电容器在能量转换和存储中的作用显得越来越重要。与目前广泛使用的各种储能器件相比，超级电容器电荷存储能力远高于物理电容器，充放电速度和效率又优于一次或二次电池，充放电循环次数可达10万次以上，并且免维护。此外，超级电容器还具有对环境无污染、使用温度范围宽、安全性高等特点。超级电容器一经问世便受到人们的广泛关注，已在很多领域得到成功的应用。 超级电容器的主要性能指标由组成超级电容器的电极材料和电解质决定，因此电极料的制备及其性能研究是超级电容器研究的重点。作为超级电容器的电极材料，不仅要求高的比容量，而且还应有较低的内电阻，以满足大电流快速充放电的要求。同时，电极材料必须容易在电极/电解质界面上形成双电层电容或法拉第赝电容，并具有适当的化学和力学稳定性与良好的电子和离子导电性。最常用的电极材料有炭材料、金属氧化物材料、导电聚合物以及各种复合材料。双电层电容器的电极材料主要为炭材料。其缺点是电阻较大，在较大工作电流下工作较困难。法拉第赝电容器主要材料是多价态过渡金属氧化物，水合二氧化钌在硫酸电解质中比容量可达到720 F/g，但昂贵的价格和毒性限制了它的商品化。因此价格低廉的电极材料引起了人们的广泛关注。导电聚合物是一类重要的超级电容器电极材料, 其电容主要来自于法拉第准电容。目前应用于超级电容器的导电聚合物主要有聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。导电聚合物超级电容器电极的优点是，可通过设计聚合物的结构，优选聚合物的匹配性，来提高电容器的整体性能。但导电聚合物电极材料存在品种少、直接用导电有机聚合物作电化学电容器电极材料电容器内电阻较大等缺点。近年来，一些廉价的金属氧化物逐渐受到人们的关注。过渡金属氧化物相对于碳材料具有很高的比电容，有着良好的电化学性能，尤其是纳米级别的过渡金属氧化物，作为超级电容器电极材料有着良好的电化学性能。 国内外已有不少文献报道了用化学沉淀法、固相法、溶胶-凝胶法、电沉积法、熔盐法、水热合成法合成各种超级电容器电极材料，但在这些合成方法中大部分需要用到模板和表面活性剂，有些方法操作条件苛刻、步骤繁琐，这样势必给产物的后处理带来麻烦，也不利于实现工业化。电极材料的研究趋势在于寻找工艺简单、控制方便，易于工业化生产的合成方法，获取比电容尽可能高、电阻率较小的电极材料。
