超级电容器电极材料的合成研究开题报告

1. 研究目的与意义

随着地球资源的日益枯竭和环境的逐渐恶化，可持续发展能源的利用和开发显得尤为重要。在太阳能、风能以及生物能等其他可持续发展新能源的研究，如何收集储存以及最大限度的利用这些新能源都是急需解决的首要问题。

超级电容器作为一种高效、清洁的可再生能源储存方式，由于其环境污染小、功率密度高、充放电速率快、及优异的循环稳定性等优点，一直是储能领域的研究重点。根据电容器储能机理不同，可将超级电容器分为双电层电容器和赝电容器，双电层电容器靠电极和电解质界面之间的双电层储存电荷，而赝电容是靠电化学活性物质在电极的二维或准二维空间发生吸附/脱附或电化学氧化还原反应引起的电容。不论是双电层电容器还是赝电容器，决定其性能好坏因素有电极材料、电解液和组装技术，其中，最为重要的是电极材料。

超级电容器的电极材料可分为四大类，分别是碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料以及复合电极材料。其中，碳材料是最早用于制作超级电容器的材料，由于其成本低、材料性能优异以及制作工艺简单等优点，在一开始研究双电层电容器时，就考虑用碳材料来作为电极材料，但碳材料也有其不可忽略的缺点，如：电极稳定性差、由于导电不良而影响电容器容量的提高等，对这类材料进行改性优化是碳材料用作超级电容器电极材料的研究热点，目前解决这类问题的几个主要改进途径是提高碳材料的比表面积、优化碳材料结构以及对其表面进行化学修饰。在赝电容器研究初期使用的电极材料大多是ruo₂和iro₂等贵金属化合物，它们都具有高比容和高电导率，但由于其成本太过昂贵，且金属钌等对环境有污染，人们一直在寻找各种方法减少贵金属的用量或寻找性能相当而价格低廉的替代材料，一些过渡金属氧化物，如co₃o₄、nio_x、mno₂等，因其较高的比电容和电导率成为研究热门。不同的电极材料有着不同的优缺点，单独作为电极材料时，电极材料的缺点和短板或许会非常明显，从而影响电容器的性能，但两种电极材料进行复合使用时，往往会比单独使用时具有更多的优点，所以现阶段复合材料电极的研究也炙手可热。

2. 研究内容和预期目标

按照文献的方法，以氢氧化锌和浓氨水为原料合成MOFs材料，再以合成出的MOFs为模板通过高温煅烧的方式制作多孔碳，改变碳化温度和时间制作不同孔径分布的多孔碳，选出最优的制作方案，并在该最优的多孔碳上负载MnO₂，通过改变负载的MnO₂的量，选出效率最高的超级电容器电极材料。

3. 研究的方法与步骤

1.合成mofs前驱体并表征：

将氢氧化锌和浓氨水快速混合搅拌：称取396 mg(4 mmol)氢氧化锌，再加入80 ml 25 %的浓氨水，搅拌10min使其充分混合，另取一个250 ml的烧杯加入760 mg(8 mmol) 2-乙基咪唑，加入4 ml环己烷(6.66%，v/v)，超声使2-乙基咪唑完全溶解在环己烷中，然后在其中加入60 ml无水甲醇，溶解后把氢氧化锌的溶液在搅拌的过程中逐滴（15-20 min）加入到甲醇溶液中，然后继续搅拌1 h，搅拌停止后将混合物抽滤，并用甲醇洗涤，最后在120℃烘箱中干燥得到白色粉末，得到的maf-6白色粉末在150℃的真空烘箱中活化 10 h，备用。

对做好的样品进行x-射线衍射分析、热重、扫描电镜（sem）和投射电镜（tem）分析以及n₂吸脱附分析。

4. 参考文献

[1] lei z,zhang j, zhao x s. ultrathin mno₂ nanofibers grown on graphiticcarbon spheres as high-performance asymmetric supercapacitor electrodes[j].journal of materials chemistry, 2011, 22(1):153-160.

[2] he c t,jiang l, ye z m, et al. exceptional hydrophobicity of a large-poremetal-organic zeolite.[j]. journal of the american chemical society, 2015,137(22):7217-23.

[3] 周龙斐, 邱红梅, 徐美,等. 石墨烯/二氧化锰复合材料的制备及其电化学性能[j]. 工程科学学报, 2016, 38(9):1300-1305.

5. 计划与进度安排

1 (第一周) 接受任务，查阅论题相关文献，进行资料收集，了解论题所研究的背景以及研究目的，拟好开题报告的大纲。

2（第二－三周） 按照大纲开始编写开题报告，细化实验步骤并完成开题报告，同时开始英文文献的翻译工作，进入实验室检查药品以及仪器是否齐全，为毕业实验做好准备工作。

3（第四－十三周） 开始毕业论文实验，按方法步骤依次合成mofs、多孔碳以及多孔碳/mno₂复合材料，对这些材料进行电化学分析，并详细记录和及时处理合成分析过程中所得到的数据和图表。