微波合成氧化镍/二氧化锰/石墨复合材料在超级电容器电极材料方面的应用

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太原理工大学罗居杰老师和奥本大学的张新宇教授合作应用固态微波法成功制备了一种高性能的NiO/MnO2@graphite电极材料，文章发表在电化学专业杂志Electrochimica Acta。文章详细讨论了微波反应功率、微波反应时间以及反应物的质量比对于产物NiO@graphite以及NiO/MnO2@graphite的电化学性能的影响。在固态微波反应过程中，六水合硝酸镍以及四水合醋酸锰被用作先驱体，天然石墨粉为加热层，在空气氛围下成功制备了NiO@graphite以及NiO/MnO2@graphite纳米复合材料。不仅原料成本低，而且制备过程反应条件温和、反应迅速。

固态微波法快速纳米制备可以追溯到2006年，张新宇教授应用纳米结构的导电聚合物为先驱体，在空气，无溶剂的条件下，快速（3-5分钟）成功地制备了纳米碳材料(Zhang et al, Chem. Comm. 2006, 2477)。随后，该课题组又对碳纳米管的生长机制做了进一步研究，提出了一种全新的碳纳米管制备方法：Poptube Approach (Liu et al, Chem. Comm. 2011, 9912-9914)。并在接续的工作中，成功地把固态微波法延伸到制备金属氧化物/硫化物纳米复合材料领域。2016年，该课题组通过微波法合成了富勒烯状的金属硫族化合物 (Liu et al, Sci. Rep. 2016, 6， 22503)。

文章中比较了金属氧化物与石墨二相与三相复合材料体系的电化学性能，发现相对欲二相体系NiO@graphite，三相NiO/MnO2@graphite复合体系的循环稳定性更好，比电容更高(如下图所示)。其主要原因可能在于NiO纳米颗粒倾向于团聚，而MnO2的加入有效地阻止了NiO纳米颗粒的团聚，提高了NiO/MnO2@graphite复合材料的循环稳定性：循环1600圈之后比电容仍为初始比电容的140%。另一方面NiO与MnO2之间形成的特殊结构提高了复合材料的比电容值。更有趣的现象是，因着石墨材料的活化效应，NiO/MnO2@graphite复合材料电极在循环之初出现了比电容逐渐增大的现象。