金属单质/碳共掺杂的MnO2材料的合成、表征与性能研究开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

1、本课题的研究意义及应用前景： 超级电容器是一种功能强大的新型储能器件,这种电化学电容器不同于常规电容器与蓄电池，它拥有更稳定的电化学性能、更强大的使用功率和更长久的使用寿命，可以弥补锂电池功率不足的缺陷，能很好地运用于电动汽车中，提高纯电动汽车的实用性，促进新能源汽车的普及。

还可以用于国防军事、电子消费、新能源开发等领域[1]，具有重要战略意义。

超级电容器之所以具有较好的储能性，主要有两方面的原因，一是基于双电层电容储能原理，二是基于氧化还原准电容储能原理[2]。

2. 研究的基本内容和问题

1、课题研究内容： 本项目拟在前期srt的基础上，选择3-氨基-1,2,4-三氮唑-5-羧酸（atc）或其他配体为反应原料，探究该配体与金属cu、ni的组装规律与组装化学，合成具有不同形貌结构的cu-c、ni-c金属-碳配合物纳米材料，利用合成得到的配合物纳米材料浸入不同浓度的kmno4,再经过洗涤、干燥等操作，得到形貌、大小可控的金属单质/碳共掺杂的mno2材料，深入研究形貌、大小、孔径以及金属离子、配体、kmno4的相互含量对金属单质/碳共掺杂的mno2材料电化学电容器性能的影响，并电极材料的电子转移及离子传输的作用分工、相互间的协同效应进行系统的实验论证和研究，建立合理的工作机理模型，从中筛选出具有实用价值的纳米能量存储器件。

选择利用配合物纳米粒子前驱体制备金属单质/碳共掺杂的mno2电极材料主要出于以下几个方面考虑：第一，现有金属单质/碳共掺杂材料制备方法运用到的去除硬模板、核以及软模板等繁琐的实验工序，限制了复合电极材料的纯度、粒径及结构的可控制备，从而影响了最终的电化学电容性能，配合物纳米粒子前驱体法有着实验流程简单、合成产物纯度高、灵敏度高及形貌可控等优点，为金属单质/碳共掺杂的mno2电极材料合成提供了条件；第二，mno2因其价格低廉、高氧化还原活性与高的理论电容量，是目前运用较广泛的一种赝电容电极材料；2、本课题主要研究内容如下：（1）cu或ni-有机配体纳米配合物粒子的可控制备 能否方便快捷地制备结构和性能可控的金属单质-掺杂碳复合材料的关键在于理解含金属单质的纳米配合物粒子的生长过程。

通过调控有机配体中取代基的位置来调节官能团之间的角度，优化纳米配合物粒子的结构；调节溶剂、浓度、反应时间及添加表面活性剂等反应参数，可控制备形貌、大小均一的金属单质-掺杂碳粒子。

3. 研究的方法与方案

1.研究方法 本项目拟在我们前期srt的工作基础之上，选择atc或其他配体为反应试剂及反应原料，与cu、ni等金属离子配合生成配合物，进一步与mno2掺杂，通过调整反应参数，探究该类配体与cu、ni金属离子的组装规律与组装化学，合成具有不同结构的金属单质/碳共掺杂的mno2纳米材料；利用合成得到的配合物纳米材料，化学转换合成出形貌、大小可控的金属单质/碳共掺杂的mno2材料，深入研究形貌、大小、孔径以及金属单质/碳共掺杂的mno2材料电化学电容器性能的影响，建立初步的构-效关系；同时对金属单质/碳共掺杂金属氧化物电极材料的电子转移及离子传输的作用分工、相互间的协同效应进行系统的实验论证和研究，建立合理的工作机理模型。具体研究方法如下：(1)纳米配合物粒子的合成： 首先通过控制反应参数，筛选有机配体与金属离子反应后的单分散性优良的配合物粒子，采用不同的反应方法(如水热法、溶剂热法、溶剂诱导法、加热回流、超声法等)来调控纳米配合物的结构。利用sem、tem观察纳米配合物粒子的形貌，采用红外、质谱、热重、元素分析、xrd等表征所合成配合物粒子。(2)金属单质/碳共掺杂的mno2材料的合成 控制所得的金属配合物粒子的用量、高温煅烧的温度与升温速率、惰性气氛的选择等因素，固体产品再与kmno4震荡、搅拌、静置，再经过离心、洗涤、干燥等操作，得到金属单质/碳掺杂的金属氧化物复合材料。采用sem、tem、edx、质谱、元素分析、icp-ms等表征结构及各元素的比例含量。(3)金属单质/碳共掺杂的mno2材料的电化学电容性能研究通过sem、tem筛选出不同形貌、大小的样品，研究不同形貌、大小对金属单质/碳共掺杂的mno2材料电化学电容器性能的影响，采用微孔物理和化学吸附仪探究该材料的孔径分布对电化学性能影响，利用edx、icp-ms探究cu、ni、ag离子相对于mno2含量对储能性能影响。

2、技术路线图：见附件

3、可行性分析：（1）技术可行性 前期工作表明，纳米配合物粒子具有易合成、产率高且尺寸、形貌依赖等特点，并通过控制反应浓度、溶剂以及其他反应条件，已初步实现了对纳米配合物粒子尺寸及形貌的可控、宏量制备。在实验方案所涉及的纳米配合物前驱体合的组装技术已摸索的十分成熟， （2）经济可行性 本实验项目依托学院现有实验室，相关原料方便取得，并且涉及的贵重药品并不多。实验所用相关设备齐全，除少数环节需借助校外资源外，汪老师实验室可保障该项目进行。本项目导师年轻有为，博学多识，成就卓越，所拥有的研究经费亦可解决该项目的后顾之忧。（3）操作可行性 本人大学期间勤奋好学，认真学习，积累了丰富的实验室经验，前期的srt实验训练，为本项目的操作打下了坚实的基础。汪老师潜心研究改方向多年，能在该实验项目中给予必要的操作指导，确保实验的顺利进行。

4. 研究创新点

（1）系统总结复合纳米材料的尺寸效应、表面和结构特性以及在复合材料中的不同金属离子的导电作用，将加深对碳掺杂金属氧化物材料的认识，是知识创新的重要源头。

（2）首次将mno2复合在掺杂金属离子的碳上，为后续提高mno2电极材料的电化学性能的研究提供理论基础和技术支持。

（3）实验和理论研究结合，基础与应用结合以及多学科交叉的明显特色。

5. 研究计划与进展

研究计划：进一步熟悉课题内容，收集资料 （10篇文章以上） 收集资料，与指导教师讨论，制定总体方案 合成金属单质/碳共掺杂的mno2材料 对金属单质/碳共掺杂的mno2材料进行电化学检测撰写毕业设计中期报告，进行汇报筛选电化学性能良好的实验材料进行结构表征 整理实验数据，分析实验结果，探究电极材料工作原理 撰写毕业设计结题报告，进行答辩 预期结果：1. 获得安全性能高、循环周期长、工作机制明确的金属单质/碳共掺杂的mno2电极材料，大幅度提高电容器的循环性能、稳定性能、能量与功率密度。

2. 宏量可控制备出具有实际应用价值的电化学电容器，为复合电化学电容器材料提供理论基础与技术。

3. 预期在国内外学术期刊上公开发表论文。