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作为一种应用十分广泛的能量存储装置,超级电容器具有快速充电放电、功率密度高以及循环性能好的特点,在能量储存领域备受关注。二氧化锰作为一种常见的超级电容器电极材料,具有来源丰富、环境友好且理论比容高等特点,但是制备过程复杂以及较低的能量密度等仍限制了其在超级电容器上的应用。因此,本实验采用水热法,分别以MnSO4、MnCl2、KMnO4和Mn(NO3)2为锰源,采用水热法依次制备了二氧化锰纳米棒(MnO2NRs)、二氧化锰纳米花(MnO2 NFs)、二氧化锰纳米线(β-MnO2 NWs)粉体,同时以上述β-MnO2NWs和氧化石墨烯(GO)为原料,通过水热法合成了 β-MnO2 NWs/rGO(还原氧化石墨烯)气凝胶复合材料,然后分别作为活性材料制作成超级电容器工作电极并进行了电化学性能测试。其中,以1 mol L-1 Na2SO4为电解液,在1 A g-1的电流密度下,MnO2 NFs的比容值达到了 207.5 F g-1,β-MnO2 NWs/rGO气凝胶复合材料作为自支撑电极的比容值达到了 203.7 F g-1,同时后者在经过8000次充放电循环后比电容保持率为86%,显示出了较好的循环稳定性。以下是具体研究结果。采用三电极测试系统,在1 A g-1的电流密度下MnO2 NRs的比电容为70 F g-1,而MnO2 NFs的比电容为207.5 F g-1,显然后者的比电容有显著的提高,同时后者在1 A g-1的电流密度下经过4000次循环后,仍保持初始比电容的74.3%。两种电极材料的比容性能差异在于对应活性材料的形貌不同,显而易见的是,后者具有更大的比表面积和更加丰富的孔道结构,提供了更多的氧化还原活性位点和电解质离子传输通道,导致比电容显著提高。将β-MnO2 NWs与导电性能良好的rGO复合,得到β-MnO2 NWs/rGO气凝胶复合材料,其比表面积为120.02 m2 g-1,总孔体积为0.098 cm3 g-1,具有β-MnO2 NWs垂直生长在rGO表面的结构特征。接下来研究了复合材料中β-MnO2 NWs与rGO质量比对电极电化学性能的影响,发现当二者的质量比为 1:1(记为 β-MnO2 NWs/rGO-1)时,β-MnO2 NWs/rGO 气凝胶复合材料的比容值为203.7 F g-1,优于β-MnO2 NWs和rGO各自的比电容,同时在经过8000次充放电循环后比电容保持率为86%,具有良好的循环稳定性。进一步对β-MnO2 NWs/rGO气凝胶复合材料表现出的优异性能进行了深入分析。发现主要是该复合材料具有结构优势,导致β-MnO2 NWs和rGO之间存在协同作用,一方面,β-MnO2 NWs固定在rGO纳米片之间充当间隔物,可以有效抑制rGO的堆叠,使其比表面积增大;另一方面,β-MnO2 NWs与rGO的紧密结合可以有效增强界面电荷转移,改善β-MnO2 NWs的导电性。通过以上协同作用,缓解了 rGO的易堆叠和β-MnO2 NWs的导电性差的问题,提高了电极材料的电子传导速率和电解质离子的传输效率,进而有效地改善了电极的电化学性能。