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研究生： 歐姿曼
論文名稱： 鈉嵌入錳氧化物於超級電容器之應用
Na-intercalating manganese oxide for the supercapacitor application
指導教授： 胡啟章
口試委員: 張國興
衛子健
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年： 2014
畢業學年度： 102
語文別： 中文
論文頁數： 111
中文關鍵詞： 超級電容器 、鈉嵌入 、錳氧化物 、熱液法
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    • 本研究主要是針對鈉嵌入錳氧化物的製備，並將其應用在超級電容器上。論文結果主要分為兩部分，第一部分先探討不同反應溫度、反應時間，以及添加不同含量之不同陽離子(如Li、Na、K、Mg和Al)下所合成之錳氧化物的差異。第二部分則為改變前驅物之pH值來提升鈉嵌入錳氧化物中鈉離子的原子比例，進而達到改善電化學行為之目的。以下將簡要地探討各章所包含的內容：
    第一部分先利用熱液法改變不同反應溫度、反應時間，以及添加不同含量之硫酸鈉，並利用循環伏安掃描法(CV)找出最適化條件，接著利用最適化條件來探討添加不同陽離子對合成出的錳氧化物造成的影響。此部分材料分析為X光繞射儀(XRD)、X光電子能譜儀(XPS)、感應耦合質譜儀(ICP-MS)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)，以及比表面積與孔徑分析儀(BET)。綜合以上分析結果後發現，其中最佳合成條件為反應溫度75 oC、反應時間12小時，以及添加15 mmole硫酸鈉所得之樣品具有最佳電化學表現(153.7 F/g)，原因在於其結晶性差、比表面積大，以及擁有適當的孔洞體積和大小。最後將最佳條件之鈉嵌入錳氧化物與活性碳組裝成非對稱超級電容器後得知，其可從0 V充電到2.4 V，且在20 A/g下擁有22.3 Wh/kg的能量密度和24.0 kW/kg之功率密度。
    第二部分則是利用氫氧化鈉來改變第一部分前驅物之pH值，使鈉嵌入錳氧化物中鈉離子之原子比例提升，進而達到改善電化學表現之目的。透過X光繞射儀(XRD)、X光電子能譜儀(XPS) 、感應耦合質譜儀(ICP-MS)、掃描式電子顯微鏡(SEM)，以及穿透式電子顯微鏡(TEM)之分析結果我們可以得知，此部分合成之錳氧化物在高掃描速率活化後，會使原本cryptomelane型態之二氧化錳，部分轉變為birnessite型態，使其在1000 mV/s下仍有百分之百的電容維持率。最後將此部分的鈉嵌入錳氧化物與活性碳組裝成非對稱超級電容器後得知，其可從0.2 V充電到2.4 V，且在20 A/g下擁有19.5 Wh/kg的能量密度和26.0 kW/kg之功率密度。

    目錄 第一章 緒論 1.1電化學原理 1.1.1電化學反應系統 1.1.2影響電化學系統之因素 1.2電化學電容器 1.2.1電化學電容器之分類 1.2.2電化學電容器之量測 1.3金屬氧化物電極種類以及製備方法 1.4錳氧化物於超級電容器的應用 1.5研究動機 第二章 實驗方法與步驟 2.1實驗藥品與儀器 2.1.1實驗藥品 2.1.2實驗儀器 2.2實驗方法 2.2.1錳氧化物的製備 2.2.2石墨基材的製備與前處理 2.2.3電極的製備 2.3電化學分析實驗 2.3.1循環伏安掃描(Cyclic Voltammetry, CV) 2.4材料分析儀器 2.4.1掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM) 2.4.2穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy, TEM) 2.4.3比表面積與孔徑分析儀(Surface area and porosity analyzer) 2.4.4 X光繞射分析(X-ray Diffraction Analysis, XRD) 2.4.5 X光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscope, XPS) 第三章 反應溫度、反應時間及添加陽離子對於熱液合成錳氧化物材料的電化學行為影響 3.1前言 3.2利用循環伏安法找出錳氧化物添加鈉離子的最佳條件 3.3反應溫度、反應時間及添加鈉離子之差異 3.3.1 錳氧化物結晶大小之影響 3.3.2 錳氧化物之化合狀態與化學組成 3.3.3 錳氧化物表面形態之影響 3.3.4 錳氧化物比表面積與孔徑之影響 3.3.5 錳氧化物電化學行為之影響 3.4添加不同陽離子之差異 3.4.1 錳氧化物循環伏安圖譜之影響 3.4.2 錳氧化物結晶大小之影響 3.4.3 錳氧化物表面形態之影響 3.4.4 錳氧化物比表面積與孔徑之影響 3.5 非對稱超級電容器之組裝 3.6 結論 第四章 改變pH值於熱液合成錳氧化物材料的電化學行為影響 4.1 前言 4.2 改變不同pH值之差異 4.2.1 錳氧化物循環伏安圖譜之影響 4.2.2 錳氧化物物相組成之影響 4.2.3 錳氧化物之化合狀態與化學組成 4.2.4 錳氧化物表面形態之影響 4.2.5 錳氧化物電化學行為之測試 4.3 非對稱超級電容器之組裝 4.4結論 第五章 總結與未來展望 參考文獻

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