近日，电机系杨颖课题组在超级电容器MnO2复合电极材料制备及性能研究方面取得新成果。相关研究论文《多孔纳米碳纤维三维孔洞边界限制条件下原位可控生长MnO2及其电化学性能》(In-situ growth of MnO2 crystals under nanopore-constraint in carbon nanofibers and their electrochemical performance)发表于Nature出版集团旗下的期刊《科学报告》 (Scientific Reports 6, Article number: 37368 (2016))。

MnO2是一种具有高理论比电容(1370 F/g)、来源广泛、成本低廉、对环境友好的金属氧化物。电极材料微纳米尺度结构是影响超级电容器性能的最主要因素之一。但MnO2生长过程中与纳米碳复合结构控制手段复杂且可控性差，规模量产推广困难。课题组以新的研究思路“调控反应速率结合三维纳米孔的约束”来控制MnO2生长的形态，从而获得了具有优越电化学性能的MnO2复合电极材料。

在该项研究中，课题组通过静电纺丝结合软模板工艺方法制备出三维多孔纳米碳纤维作为生长MnO2的基底。利用KMnO4在中性环境下与无定型碳进行的氧化还原反应，控制反应动力学参数，获得均匀生长在3D孔结构中的纳米MnO2。研究发现，三维边界限制生长于纳米纤维体相的MnO2与一维边界限制生长的表面MnO2呈现不同的生长轴向。该纳米结构可大大提高MnO2在超级电容器充放电过程中的有效利用率。电化学性能测试结果显示，MnO2复合电极的比电容达到1282 F/g (93.6% 理论比电容)。具有良好导电性的碳纤维基底为电子提供了快速迁移的通道，可保证MnO2复合电极在大倍率工作条件下能够保持良好的电化学性能。这一研究涉及的高电化学性能MnO2边界限制生长机理可推广至不同层次孔纳米碳材料，为促进MnO2复合材料的发展提供了可廉价、规模化生产的新的思路。

该研究与材料系康飞宇教授团队合作完成，电机系杨颖副教授为论文通讯作者；2015级博士研究生黎忠孝(Le Trung Hieu，越南留学生)为论文第一作者；康飞宇教授，黄正宏教授作为合作作者，部分实验依托于康飞宇教授实验平台完成。该项研究工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金项目的资助。

文章链接：http://www.nature.com/articles/srep37368