[發明專利]二氧化錳納米棒/石墨烯復合電極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201310400349.X
• 申請日: 2013-09-05
• 公開（公告）號: CN103489660A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 汪浩;鄧思旭;吳春卉;嚴輝;孫玉繡;劉晶冰
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/46;H01G11/38;H01G11/86
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明涉及一種二氧化錳納米棒/石墨烯復合電極材料及其制備方法，屬于超級電容器材料技術領域。

背景技術

隨著社會的進一步發展，環境和能源問題變得越來越突出。因此人們迫切的需要一種環境友好且可持續的能源儲存形式。超級電容器在近些年來得到了人們越來越多的關注。與鋰離子電池和傳統的電容器相比，超級電容器具有較高的能量密度和功率密度。

電極材料是決定超級電容器電化學性能的關鍵因素之一，因此研制開發具有優異性能的電極材料是超級電容器研究的核心課題。過渡金屬氧化物RuO₂利用在氧化物電極表面及體相發生的可逆氧化還原反應而產生高達760F/g的比容量，是較理想的電極材料，但昂貴的價格限制了其廣泛應用。

MnO₂由于其理論容量較高，成本較低，對環境友好等優點，被認為是最具潛力的超級電容器材料。但是由于MnO₂自身的導電性較差，對其電化學性能造成了很大的影響。為了提高MnO₂電極材料的導電性，人們采用了將MnO₂與石墨烯復合的方法。這是因為石墨烯具有十分良好的導電性，較大的比表面積，較好的化學穩定性，較輕的質量以及較好的韌性。與其他碳材料相比，這些優點都使得石墨烯成為最具潛力的電極材料之一。石墨烯與MnO₂在電極材料中的協同作用可以有效的提高電極材料的電化學性能。與此同時，為了提高電極材料的比表面積，納米結構的MnO₂被廣泛的應用于超級電容器材料中。在這其中MnO₂納米棒由于不易發生團聚現象，可以有效的改善電極材料的電化學性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種制備二氧化錳納米棒/石墨烯復合電極材料的方法。該材料由MnO₂納米棒和石墨烯片組成，具有較好的復合程度，高效穩定的電化學型性能。其工藝簡單，成本低廉，適合于大規模生產應用。

本發明所提供的二氧化錳納米棒/石墨烯復合電極材料及其制備方法，包括以下步驟：

1）制備石墨烯

首先制備氧化石墨（GO），優選采用采用改良的Hummers法制備氧化石墨（GO），將GO分散在去離子水中，超聲處理，得到0.5mg?mL^-1的GO分散溶液，然后在GO分散溶液中加入30wt%葡萄糖溶液和25wt%氨水，攪拌15min，之后將混合溶液在95℃水浴攪拌1h，冷卻后，將黑色均一的懸浮物離心、過濾洗滌，50℃烘干12h，得到純凈的石墨烯；優選具體體積比為GO分散溶液：葡萄糖溶液：氨水=100:10:1；

2）制備MnO₂納米棒/石墨烯復合材料

首先將石墨烯分散于去離子水中超聲處理20min，優選每0.05g分散于80mL去離子水中；再將MnSO₄和KMnO₄溶液加入到石墨烯分散液中攪拌1h，得到前驅體溶液，MnSO₄和KMnO₄溶液的濃度為0.015-0.12M，MnSO₄和KMnO₄的摩爾數相等，之后將前驅體溶液放入水熱反應釜中，120-180℃反應8-24h，最后將反應產物離心、過濾洗滌，80℃烘干24h，得到純凈的MnO₂納米棒/石墨烯復合材料；石墨烯、MnSO₄、KMnO₄三者可根據需要進行匹配縮放，優選石墨烯：MnSO₄：KMnO₄摩爾比=（6-12）:5:5。

本發明與現有技術相比有如下優點：

1、本發明的制備采用水熱法。該種方法易于操作，原料成本低，反應簡單，對環境無污染，可重復性高，適合于工業化生產。

2、MnO₂納米棒比表面積較大，更易于石墨烯復合，MnO₂納米棒復合于半透明的石墨烯兩側，有效的提高了電極材料整體的導電性。

3、在石墨烯表面復合的MnO₂納米棒團聚現象較少，MnO₂納米棒/石墨烯復合材料具有優異的電化學性能，是一種有潛力的超級電容器材料。

附圖說明

圖1為本發明實施例1所制備的MnO₂納米棒/石墨烯復合材料X射線衍射（XRD）圖譜；