近日，電機系楊穎課題組在超級電容器MnO2複合電極材料制備及性能研究方面取得新成果。相關研究論文《多孔納米碳纖維三維孔洞邊界限制條件下原位可控生長MnO2及其電化學性能》(In-situ growth of MnO2 crystals under nanopore-constraint in carbon nanofibers and their electrochemical performance)發表于Nature出版集團旗下的期刊《科學報告》 (Scientific Reports 6, Article number: 37368 (2016))。

MnO2是一種具有高理論比電容(1370 F/g)、來源廣泛、成本低廉、對環境友好的金屬氧化物。電極材料微納米尺度結構是影響超級電容器性能的最主要因素之一。但MnO2生長過程中與納米碳複合結構控制手段複雜且可控性差，規模量産推廣困難。課題組以新的研究思路“調控反應速率結合三維納米孔的約束”來控制MnO2生長的形态，從而獲得了具有優越電化學性能的MnO2複合電極材料。

在該項研究中，課題組通過靜電紡絲結合軟模闆工藝方法制備出三維多孔納米碳纖維作為生長MnO2的基底。利用KMnO4在中性環境下與無定型碳進行的氧化還原反應，控制反應動力學參數，獲得均勻生長在3D孔結構中的納米MnO2。研究發現，三維邊界限制生長于納米纖維體相的MnO2與一維邊界限制生長的表面MnO2呈現不同的生長軸向。該納米結構可大大提高MnO2在超級電容器充放電過程中的有效利用率。電化學性能測試結果顯示，MnO2複合電極的比電容達到1282 F/g (93.6% 理論比電容)。具有良好導電性的碳纖維基底為電子提供了快速遷移的通道，可保證MnO2複合電極在大倍率工作條件下能夠保持良好的電化學性能。這一研究涉及的高電化學性能MnO2邊界限制生長機理可推廣至不同層次孔納米碳材料，為促進MnO2複合材料的發展提供了可廉價、規模化生産的新的思路。

該研究與材料系康飛宇教授團隊合作完成，電機系楊穎副教授為論文通訊作者；2015級博士研究生黎忠孝(Le Trung Hieu，越南留學生)為論文第一作者；康飛宇教授，黃正宏教授作為合作作者，部分實驗依托于康飛宇教授實驗平台完成。該項研究工作得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金項目的資助。

文章鍊接：http://www.nature.com/articles/srep37368