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：超级电容器是一种介于传统电容器和蓄电池之间的新型能量存储装置。相对于传统电容器和电池来说，具有能量密度高、功率特性好、循环寿命长、充放电时间快、温度范围宽、经济环保和安全等特性，在家用电器、电子信息、电动汽车、航天航空、国防科技等领域具有重要作用。目前，超级电容器在国内外已实现了商品化生产，但还存在价格较高、能量密度较低等问题，极大的限制了超级电容器的大规模应用。超级电容器主要由集流体、电极、电解质和隔膜等4部分组成，其中电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素。目前研究较多的超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，碳材料和金属氧化物电极材料相对较成熟，而一些研究者[1]发现将不同种类的电极材料，经过物理或化学方法复合后，性能优于单一的电极材料。因此研究合成复合材料来弥补单一组分性能的不足，进一步优化和提高材料的超级电容性能尤为重要。又因为二氧化锰具有毒性小、价格便宜、电化学性质稳定等特性，所以二氧化锰成为研究较多的电极材料。2、国内外研究进展：两种金属氧化物的复合超级电容器电极材料具有单一电极材料所不具有的优良性能，Liu[2]等以三嵌段共聚物P123为软模板制备了Co3O4/RuO2xH2O复合材料，其电化学比电容达到了642F/g。Xu[3]等制备了一种花状介孔结构NiO/Co3O4复合超级电容器材料，当电流密度为4A/g时其比电容量高达1190F/g。张莉[4]等在活性碳粉末中掺入二氧化钌和二氧化锰，作为电极材料的活性物质，从而制备氧化物/活性炭多元复合电极，组装成超级电容器单元。经循环伏安、恒流充放电和交流阻抗测试的结果表明：在活性碳粉末中掺入20%的二氧化锰时，复合电极的比容量为128F/g，阻抗为2.62Ω；在活性碳粉末中掺入二氧化钌和二氧化锰各20%时，多元复合电极的比容量为266F/g，阻抗为0.86Ω，经1500次循环充放电后，电容量几乎无衰减，得出由活性炭、二氧化钌和二氧化锰构成的多元复合电极是一种理想的超级电容器电极材料。综上所述，双金属氧化物与碳材料复合预期可进一步改善其电化学性能，目前这方面的研究尚不多见。3、参考文献：[1] Jiang H, Ma J, Li C Z. Mesoporous carbon incorporated metal oxide nanomaterials as supercapacitor Electrodes[J]. Advanced Materials, 2012, 24(30): 4197-4202[2] Liu Y, Zhao W W, Zhang X G. Soft template synthesis of mesoporous Co3O4/RuO2xH2Ocomposites for electrochemical capacitors[J]. Electrochimica Acta, 2008, 53(8): 3296-3304[3] Xu K B, Zou R J, Li W Y, et al. Self-Assembling Hybrid NiO/Co3O4 Ultrathin and Mesoporous Nanosheets into Flower-like Architectures for Pseudocapacitance[J]. Materials Chemistry. 2013, 1(32):9107-9113[4] 张莉, 宋金岩, 邹积岩. ERu-Mn-AC多元复合电极材料的电化学性能（英文）[J]. 稀有 金属材料与工程, 2009, 01: 11-14
2. 研究的基本内容和问题
1、研究目标： 双金属氧化物优异的储能性能不仅与其特殊的纳米结构有关，而且两种金属氧化物可以相互掺杂到各自的氧化物晶格当中并形成缺陷，从而增加了赝电容电化学反应的准二维区域，同时在一定程度上可以抑制单一组分的团聚，提高了活性组分的利用率。获得高性能纳米复合材料的可控制备工艺和组装技术，认识多级纳米结构复合材料可控制备、组装的基本原理和规律性，为能源存储类复合结构材料的可持续发展及其成果转化提供新知识、新技术和新材料。
2、研究内容： 该实验项目计划在之前SRT的基础上，选择3-氨基-1,2,4-三氮唑-5-羧酸（ATC）或其他有机配体为反应原料，探究该配体与金属Mn、Cu、Ni的组装规律与组装化学，合成具有不同形貌结构的Mn3O4/C、NiO/C、CuO/C的金属氧化物-碳配合物纳米材料，利用合成得到的配合物纳米材料浸渍、水热回流等与不同浓度的KMnO4掺杂，再经过洗涤、干燥等操作，得到形貌、大小可控的金属氧化物/碳共掺杂的MnO2材料，深入研究形貌、大小、孔径以及金属氧化物、配体、KMnO4的相互含量对金属氧化物/碳共掺杂的MnO2材料电化学电容器性能的影响，并对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氧化物/碳共掺杂的MnO2电极材料主要是因为现有金属氧化物/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，为金属氧化物/碳共掺杂的MnO2电极材料合成提供了条件。3、拟解决的关键问题：（1）建立初步的构-效关系，制备出形貌、大小可控的金属氧化物/碳共掺杂的MnO2纳米材料，探讨有机配体与Mn、Cu、Ni等金属氧化物的组装规律，研究纳米配合物前驱体活化过程中的生长机理与可控制备方法。（2）深入研究形貌、大小与孔径对电化学性能影响，探索金属氧化物/碳共掺杂金属氧化物电极材料的电化学电容器工作机理。（3）系统研究不同金属离子对金属氧化物/碳共掺杂的MnO2材料的电化学性能影响，探究混合物中金属氧化物不同含量与电化学超电容性能之间的规律，筛选出具有实用价值的纳米能量存储器件。
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mn、cu、ni等金属氧化物配合生成配合物，进一步与mno2掺杂，通过调整反应参数，探究该类配体与mn、cu、ni等金属氧化物的组装规律与组装化学，合成具有不同结构的金属氧化物/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、大小可控的金属氧化物/碳共掺杂的mno2材料，深入研究形貌、大小、孔径以及金属氧化物/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；同时对金属氧化物/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)金属氧化物@碳@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，得到金属氧化物/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)金属氧化物@碳@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、大小对金属氧化物/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：
3、可行性分析： 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。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。本项目导师有很好的工作基础，所拥有的研究经费可以解决该项目的后顾之忧。本人大学期间积极努力，热爱科研实验，有较好的实验操作能力。前期的srt实验锻炼，为本项目的操作打下了坚实的基础。汪老师在超电容方面的研究有一定的基础，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
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氧化物的导电作用，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。将MnO2复合在掺杂金属氧化物的碳上，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。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
1、研究计划：进一步熟悉课题内容，收集资料，阅读文献 （10篇文章以上） 收集资料，与指导教师讨论，制定总体方案 合成该课题所用的电极材料 对该电极材料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 2、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氧化物/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。
