毕论之英文翻译

影响MnO2/MWCNTs超级电容器电极电化学性能的因素摘要：以多壁碳纳米管（多壁碳纳米管）作为基底，利用乙醇还原高锰酸钾在其上生长出无定型二氧化锰晶体，得MnO2/MWCNTs，利用X射线衍射（XRD），扫描电子显微镜（SEM）和测试法进行分析，发现多壁碳纳米管被二氧化锰包裹着，且当多壁碳纳米管含量为0-30％时，MnO2/MWCNTs的BET比表面积保持200m2g−1。在1MNa2SO4溶液中，用循环伏安法（CV）和恒电流充放电测定用于超级电容器电极材料的复合材料MnO2/MWCNTs的电化学性能。在5mVs-1的扫描速率下，只有当复合材料中碳纳米管含量较高时才能看到循环伏安图中出现矩形。研究还涉及导电剂KS6对复合材料的电化学特性的影响。研究发现，当确定碳的含量为25％（包括碳纳米管）时，掺入20％多壁碳纳米管和5％KS6的二氧化锰具有最高的比电容，优良的循环性能和最佳倍率性能，即在5mVs-1时，比电容为179Fg-1;100mVs-1时，比电容为114.6Fg-1。1.背景：（ECS）是传统电池和介质电容器之间的特殊器件，之所以成为全球研究人员的重点是其安全性能好，充电时间短，电化学稳定性和高能量密度。根据电荷存储机构，电化学超级电容器可分为电化学双层电容器（双电层电容器）和赝电容。前者是在电极/溶液界面发生的电荷转移，而后者是电极上活性物质发生法拉第氧化还原反应。有各种材料用于电极研究，包括碳素材料，导电聚合物和过渡金属氧化物。二氧化锰由于产量丰富，成本低又环保，将有希望用作赝电容的电极材料的替代品。迄今为止，二氧化锰已经成功通过各种方法进行合成，如溶胶-凝胶法，水热法，还原法和共沉淀合成法。氧化锰的比电容值理论值为1000Fg-1，而实验值仅介于100~250Fg-1。纯二氧化锰作为超级电容电容器电极的本质问题是电荷存储机构中，只有非常薄的表面层参与反应，而底层二氧化锰材料因为其较差的导电性无法参与。碳纳米管具有独特的结构和电学性能，如良好的导电性和高表面积与重量之比，以及形成三维传导基质的能力。为进一步推动在电化学电容器的应用，MnO2/MWCNTs的复合材料已被广泛地研究。这种复合材料结合了多壁碳纳米管的良好导电性和二氧化锰的高电容，增大了材料表面积由，提高了利用率。最终有效提高了电极的比功率和比能量。二氧化锰和多壁碳纳米管在复合材料中的含量对电极的电化学性能有着关键作用。多壁碳纳米管含量过多，虽具有超级电容器电极的理想特征但比电容较低，而多壁碳纳米管含量过少时，电极内阻过大。此外，在多壁碳纳米管基底上直接生长二氧化锰粒子也可能导致复合材料电导率低。各种方法是通过利用碳的良好导电性和MnO2的表面积，改善二氧化锰/多壁碳纳米管复合材料的电化学性能，其中，以多壁碳纳米管基质，二氧化锰纳米颗粒的均匀分散其上的方案是最优的。研究者利用电化学和化学方法合成二氧化锰/碳纳米管复合材料，使二氧化锰能够在多壁碳纳米管上均匀分散。本文中，提出了在碳纳米管基底中析出二氧化锰纳米颗粒的一种简单方法，同时，另一种导电剂加入，有可能进一步提高复合材料的电化学性能。科学家们对MnO2/碳纳米管复合材料的超级电容的性能，以及影响其性能的因素进行了研究。2.实验2.1MnO2/MWCNTs的制备高锰酸钾和乙醇来自上海化学公司，多壁碳纳米管（直径8纳米，长度约30？m）来自成都有机化学有限公司，作为基底的复写纸来自尤伊奇公司。所有化学品的使用，无需进一步纯化。该实验是在室温下进行的。高锰酸钾的水溶液中加入乙醇在室温下制备出氧化锰。通常，将0.5g高锰酸钾溶解于30ml去离子水中，在搅拌下逐滴加入10毫升乙醇。乙醇的加入形成褐色沉淀物MnO2。制备二氧化锰/多壁碳纳米管复合材料，步骤类似，只是在KMnO4溶液中加入不同量的碳纳米管（0.0174，0.0367，0.0825，0.1414，0.1650和0.3300克）。乙醇还原反应后，将混合物连续搅拌24小时，过滤沉淀物，然后用去离子水和酒精清洗，最后在60C下干燥24小时。2.2性能检测用BrukerD8Advance型X射线衍射装置，采用CuK射线得出粉末的X射线衍射（XRD）图谱。使用SEM（JEOLJSM6390）得出粉末的形态特征。用麦克三星3000测定（BET）表面积。2.3电化学性能研磨MnO2/多壁碳纳米管复合材料时加入聚偏二氟乙烯（PVDF），再加入N-甲基吡咯烷酮（NMP）混合后，将糊状物涂布在碳纸，并在80C恒温下进一步干燥4小时，这就得到了工作电极。电极活性物质的一般载荷量为4-6mgcm-2。电化学测试在电化学工作站进行（CHI660B）。本实验使用常规的三电极电化学电池，辅助电极是复写纸，参考电极用饱和甘汞电极（SCE），电解质为1M硫酸钠水溶液。在1AG-1的电流密度下，用恒电位仪/恒电流仪（武汉地电子有限公司）进行充电/放电试验。3.实验结果3.1结构与形貌4.结果讨论表面积，孔结构，结晶度和二氧化锰的纳米结构是影响其电化学性能的关键因素。在这个系统中，所有这些影响电化学性能的因素被控制在最小限度。这样，碳纳米管和附加导电剂KS6的含量成为影响比电容和电容率的主要因素。由于氧化锰的导电性较差，导电剂是超级电容器电极的必要组成部分之一。对二氧化锰/多壁碳纳米管复合材料，碳纳米管既作为导电剂，也是电化学活性物质。，当碳纳米管的含量过低或过高时，电化学性能都是不理想的，这分别会导致极化程度较高和比电容较低。多壁碳纳米管的最佳含量是在20-30％的范围内。当碳含量固定在25％，二氧化锰中含20％多壁碳纳米管和5％KS6时，比电容最高，为171Fg-1，并显示出良好的循环性能。如图8所示，多壁碳纳米管和KS6同时存在是，电极的电化学性能有了改善。二氧化锰颗粒之间嵌入起连接作用的碳纳米管，KS6嵌在外部，这样的网络结构提高了导电性和溶液也更好渗透。若没有KS6，则碳纳米管是由二氧化锰颗粒完全包裹，如图3所示，电子间与外部二氧化锰颗粒间的连接会很脆弱。KS6使得外部二氧化锰颗粒与二氧化锰/碳纳米管复合材料的电子连接极大增强，从而有了更好的电化学性能。在碳纳米管和KS6的共同作用下，即使较高的扫描速率下，样品的氧化还原能正常反应，CV曲线仍显示出良好的赝电容，电化学性能也得到改进。5.总结在多壁碳纳米管中，用乙醇还原高锰酸钾成功制备出二氧化锰/多壁碳纳米管的复合材料。XRD结果和SEM图像可看出，无定型二氧化锰晶体包裹着多壁碳纳米管，随多壁碳纳米管含量的增加，BET表面积保持不变。不加入KS6的情况下，多壁碳纳米管的含量不同，二氧化锰/多壁碳纳米管的复合材料比电容和倍率性能不同。然而，加入KS6后，并将碳含量固定在25％，电容测量结果表明，二氧化锰中含20％多壁碳纳米管和5％KS6，在5mVs-1的扫描速率下，比电容179Fg-1，并且在100mVs-1仍然具有比电容114.6Fg-1，这表明了其倍率性能高。而且，该样品显示出优异的可逆性，在2000个循环后，仍有95％以上的容量保留。所有测试的样品中，性能最佳的应数将多壁碳纳米管和KS6以内层和外层的网络结构连接在一起。用二氧化锰颗粒之间嵌入碳纳米管，KS6嵌在外部，这样的复合电极结构能使溶液更好渗透和电导性更强。二氧化锰/多壁碳纳米管复合材料作为超级电容器的电极材料的电化学性能不仅取决于碳纳米管的含量还取决于其他碳导电剂的含量如KS6。