Reductive Treatment of δ-MnO2 with Sodium Borohydride: Method for Increasing the Electrode Material Capacitance

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The effect of reductive treatment on the phase composition, morphology, and electrochemical parameters of δ-MnO2 produced by the hydrothermal method from KMnO4 at a temperature of 160°C in the presence of HNO3 was studied. δ-MnO2 processing with 3 M NaBH4 aqueous solution leads to partial reduction of Mn(IV) to Mn(III) and Mn(II). The electrochemical characteristics of the obtained electrode materials were examined by cyclic voltammetry, galvanostatic charge–discharge measurements, and impedance spectroscopy. Reductive treatment increases the specific capacitance of δ-MnO2 in 1 M Na2SO4 up to 204 F g–1 at a current density of 0.1 A g–1, and also reduces diffusion limitations during cycling due to an increase in the specific surface area. The loss of specific capacitance after 2000 charge–discharge cycles does not exceed 2.6%, which confirms the high electrochemical stability of the obtained electrode materials.

About the authors

E. A. Arkhipova

Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru

A. S. Ivanov

Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru

S. K. Nikolenko

Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru

K. I. Maslakov

Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru

S. V. Savilov

Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru

S. M. Aldoshin

Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru

References

  1. Frackowiak E., Abbas Q., Béguin F. Carbon/carbon supercapacitors //j. Energy Chem. 2013. V. 22. N 2. P. 226-240. https://doi.org/10.1016/S2095-4956(13)60028-5
  2. Чернявина В. В., Бережная А. Г., Лепёшкин И. О., Дышловая Я. А. Композитные электроды С/MnO2 для электрохимических конденсаторов на водном электролите // Электрохим. энергетика. 2021. Т. 21. № 3. С. 156-163. https://doi.org/10.18500/1608-4039- 2021-21-3-156-163
  3. Huang M., Li F., Dong F., Zhang Y. X., Zhang L. L. MnO2-based nanostructures for high-performance supercapacitors //j. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. P. 21380-21423. https://doi.org/10.1039/c5ta05523g
  4. Yin B., Zhang S., Jiang H., Qu F., Wu X. Phase- controlled synthesis of polymorphic MnO2 structures for electrochemical energy storage //j. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. P. 5722-5729. https://doi.org/10.1039/C4TA06943A
  5. Wang J. G., Yang Y., Huang Z. H., Kang F. Coaxial carbon nanofibers/MnO 2 nanocomposites as freestanding electrodes for high-performance electrochemical capacitors // Electrochim. Acta. 2011. V. 56. N 25. P. 9240-9247. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.07.140
  6. Wu M. S. Electrochemical capacitance from manganese oxide nanowire structure synthesized by cyclic voltammetric electrodeposition // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. N 15. P. 1-3. https://doi.org/10.1063/1.2089169
  7. Arkhipova E. A., Ivanov A. S., Isaikina O. Ya., Novotortsev R. Yu., Stolbov D. N., Xia H., Savilov S. V. Application of MnO2/MWCNT composite in supercapacitors // Mater. Today Proc. 2022. V. 60. P. 1008-1011. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.12.408
  8. Zhai T., Xie S., Yu M., Fang P., Liang C., Lu X., Tong Y. Oxygen vacancies enhancing capacitive properties of MnO2 nanorods for wearable asymmetric supercapacitors // Nano Energy. 2014. V. 8. P. 255- 263. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2014.06.013
  9. Kumar J., Jung H. J., Neiber R. R., Soomro R. A., Kwon Y. J., Hassan N. U., Shon M., Lee J. H., Baek K., Cho K. Y. Recent advances in oxygen deficient metal oxides: Opportunities as supercapacitor electrodes // Int. J. Energy Res. 2022. V. 46. N 6. P. 1-27. https://doi.org/10.1002/er.7675
  10. Sun Y., Huang N., Sun X., Wang D., Zhang J., Qiao S., Gao Z. An improvement on capacitive properties of clew-like MnO2 by thermal treatment under nitrogen // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. V. 42. N 31. P. 20016- 20025. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.05.234
  11. Wang X., Li Y. Synthesis and formation mechanism of manganese dioxide nanowires/nanorods // Chem. Eur. J. 2003. V. 9. N 1. P. 300-306. https://doi.org/10.1002/chem.200390024
  12. Stranick M. A. MnO2 by XPS // Surf. Sci. Spectra. 1999. V. 6. N 1. P. 31-38. https://doi.org/10.1116/1.1247888
  13. Stranick M. A. Mn2O3 by XPS // Surf. Sci. Spectra. 1999. V. 6. N 1. P. 47-54. https://doi.org/10.1116/1.1247889
  14. Soares E. A., Paniago R., Carvalho V. E, Lopes E. L., Abreu G. J. P., Pfannes H. D. Quantitative low-energy electron diffraction analysis of MnO(100) films grown on Ag(100) // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. N 3. ID 035419. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.035419
  15. Beyreuther E., Grafström S., Eng L. M., Thiele C., Dörr K. XPS investigation of Mn valence in lanthanum manganite thin films under variation of oxygen content // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. N 15. ID 155425. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.155425
  16. Langell M. A., Hutchings C. W., Carson G. A., Nassir M. H. High resolution electron energy loss spectroscopy of MnO(100) and oxidized MnO(100) //j. Vac. Sci. Technol. 1996. V. 14. N 3. P. 1656-1661. https://doi.org/10.1116/1.580314
  17. Benhaddad L., Makhloufi L., Messaoudi B., Rahmouni K., Takenouti H. Reactivity of nanostructured MnO2 in alkaline medium studied with a microcavity electrode: Effect of oxidizing agent //j. Mater. Sci. Technol. 2011. V. 27. N 7. P. 585-593. https://doi.org/10.1016/S1005-0302(11)60112-6
  18. Xiong T., Lee W. S. V., Huang X., Xue J. M. Mn3O4/ reduced graphene oxide based supercapacitor with ultra-long cycling performance //j. Mater. Chem. A. 2017. V. 5. P. 12762-12768. https://doi.org/10.1039/c7ta03319b
  19. Jia J., Lian X., Wu M., Zheng F., Gao Y., Niu H. Self- assembly of α-MnO2/Mn3O4 hierarchical structure on carbon cloth for asymmetric supercapacitors //j. Mater. Sci. 2021. V. 56. P. 3246-3255. https://doi.org/10.1007/s10853-020-05475-9
  20. Gong Y., Li D., Fu Q., Pan C. Influence of graphene microstructures on electrochemical performance for supercapacitors //Prog. Nat. Sci. 2015. V. 25. N 5. P. 379-385. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2015.10.004

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».