重庆大学向斌AFM：外部加电！轻松活化增强MnO2的赝电容性能

研究背景

与双电层电容材料相比，赝电容材料具有较高的比容量和高倍率特征，备受人们的关注。其中，二氧化锰（MnO₂）是一种典型的赝电容材料，被广泛用于赝电容超级电容器的电极材料。然而，其固有的低电导率和较差的耐腐蚀性往往导致循环性能较差，无法取得令人满意的赝电容性能。为了克服这些缺点，当前大多数研究工作主要致力于构建MnO2和导电材料的复合材料，有望改善电化学性能和结构稳定性。

尽管通过精细的缺陷工程可以实现电极材料良好的电化学性能，但这些策略伴随着不可控性和相对较高的能耗，这阻碍了赝电容材料的大规模应用。

施加外部电场能够触发材料的可控且均匀的生长，并赋予这些功能材料可调的微结构，晶格缺陷和活性位点。然而，迄今为止，人们对不同施加电场下的电化学活化机制尚不清楚。因此，迫切需要系统地探索其在不同施加电场下的激活机制。

图1. 不同电场下电化学活化的MnO₂样品的制备示意图

成果介绍

为了应对上述挑战，重庆大学向斌教授课题组通过施加外部正/负电场制备了一系列电化学活化的MnO₂样品（图1），并通过拉曼、XPS、ICP-OES等表征手段揭示了正压和负压下两种不同的电化学活化机理。所获得的MnO₂样品表现出出色的电化学性能、循环稳定性和耐电化学腐蚀性能。该策略不仅为探索高比容量且耐腐蚀的电极材料开辟了一种有前途的方法，还为高级功能材料中的缺陷的超快设计/构造铺平了道路。研究成果以“A Universal Voltage Design for Triggering Manganese Dioxide Defects Construction to Significantly Boost the Pseudocapacitance”为题，发表在材料领域著名期刊《Advanced Functional Materials》上。

文章亮点

亮点一

拉曼光谱表明，在施加正电压和负电压的情况下，活化机理是完全不同的：在活化过程中， MnO₂在正电压下主要产生氧空位，而电解质阳离子在负电压下嵌入中间层。所产生的氧空位和嵌入的离子不仅充当活性位点或参与电荷传输过程，而且增强了载流子的传输能力。

图2. 在正压和负压电场下样品的拉曼光谱及其面间距变化示意图

亮点二

DFT理论计算表明，电化学活化改变了Mn和O的电子结构，还进一步提高MnO₂的赝电容。相比之下，在正电压和负电压下电化学活化后的MnO₂样品的比电容分别是纯MnO₂的2.9倍和2.8倍。

图3. 施加正压电场下MnO₂样品的电化学性能

图4. 施加负压电场下MnO₂样品的电化学性能

亮点三

此外，活化的MnO₂样品还具有出色的循环稳定性和耐电化学腐蚀性能，循环5000次后仍然可以维持其原有的稳定的3D网络结构。

图5. 电化学活化后的MnO₂样品的循环稳定性和耐电化学腐蚀性能表

参考文献

Yan, L., Zhu, C., Hao, J., Liang, X., Bai, Y., Hu, Q., Tan, B., Liu, B., Zou, X., Xiang, B., A Universal Voltage Design for Triggering Manganese Dioxide Defects Construction to Significantly Boost the Pseudocapacitance. Adv. Funct. Mater. 2021, 2102693. https://doi.org/10.1002/adfm.202102693

作者简介

向斌，重庆大学化学化工学院教授，博士生导师。2004年获中国科学院理学博士学位，师从侯保荣院士；2009-2010年在英国Bristol大学作访问学者。现担任《RSC Advances》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Corrosion Science》、《北京科技大学学报》等杂志审稿人，以及重庆市表面工程学会副理事长、参与重庆法院环境资源审判专家等学术兼职。

作为项目负责人，主持研究863高技术项目1项，省部级项目5项；企业委托项目数十项。作为主研人，参与国家自然科学基金项目2项，省部级项目5项，近10年累计合同经费1000余万元。发表学术论文50余篇，其中SCI/EI收录近30篇，申请发明专利9项，获授权9项。

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重庆大学向斌AFM：外部加电！轻松活化增强MnO2的赝电容性能

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