[發(fā)明專利]二氧化錳/碳微球復(fù)合材料的制備及其作為超級電容器電極材料的應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410705232.7
• 申請日: 2014-11-28
• 公開（公告）號: CN104409225A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊玉英;強(qiáng)睿斌;吳紅英;胡中愛;張子瑜;董雅玉
• 申請（專利權(quán)）人: 西北師范大學(xué)
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/30;H01G11/46;H01G11/24
• 代理公司: 甘肅省知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)中心 62100
• 代理人: 張英荷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種二氧化錳/碳微球復(fù)合材料的制備，尤其涉及一種二氧化錳/碳微球(MnO₂/CMSs)復(fù)合材料的制備；本發(fā)明同時(shí)還涉及該二氧化錳/碳微球(MnO₂/CMSs)復(fù)合材料作為超級電容器電極材料應(yīng)用，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域及電化學(xué)材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

超級電容器是一種新型的能量儲存/轉(zhuǎn)化裝置，其能量密度高（10kw/kg）、充放時(shí)間短、循環(huán)壽命長和無污染等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品，混合動力電動汽車和大型工業(yè)設(shè)備等。而電極材料的選擇是影響超級電容器的主要原因，主要包括金屬氧化物，導(dǎo)電聚合物和碳基材料。

MnO₂由于其豐富、價(jià)廉、環(huán)境友好、活潑的氧化還原活性以及高的理論比電容（1232?F·g^-1）而受到了眾多的關(guān)注。MnO₂不但無需在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性電解液中而在中性電解液中就能很好地運(yùn)行，而且還能夠展現(xiàn)出快速的充放電能力和類似于非法拉第能量存儲行為，這與水合RuO₂的電荷存儲機(jī)理相似。因此，在超級電容器的應(yīng)用中MnO₂被認(rèn)為最有前景的一種RuO₂的替代物。然而MnO₂低的比電容和差的循環(huán)穩(wěn)定性使得其在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大的限制，這主要?dú)w因于其差的導(dǎo)電性以及在反復(fù)循環(huán)過程中晶體的膨脹/收縮而造成的剝落，為了彌補(bǔ)這些不足之處，導(dǎo)電碳材料碳微球可以用作支撐材料與MnO₂形成復(fù)合物。而單純的MnO₂導(dǎo)電性差，電化學(xué)利用率低，從而限制其在超期電容器中應(yīng)用。

碳微球是典型的2D碳材料，它具有良好的導(dǎo)電性、大的比表面積、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度大、振實(shí)密度高以及可加工性，可以作為生長活性納米材料的載體而廣泛應(yīng)用于制備高性能的復(fù)合材料。將MnO₂與碳微球進(jìn)行復(fù)合期望得到性能更優(yōu)的復(fù)合材料。

制備二氧化錳/碳微球(MnO₂/CMSs)復(fù)合材料作為超級電容器電極材料，得到了具有單一電極不具備的優(yōu)良性能，應(yīng)用前景廣泛。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是結(jié)合MnO₂與碳微球CMSs的特性，提供一種二氧化錳/碳微球(MnO₂/CMSs)復(fù)合材料。

本發(fā)明的目的還在于提供一種二氧化錳/碳微球(MnO₂/CMSs)復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明的更重要目的在于提供一種二氧化錳/碳微球(MnO₂/CMSs)復(fù)合材料作為超級電容器電極材料的應(yīng)用。

一、二氧化錳/碳微球(MnO₂/CMSs)復(fù)合材料的制備

本發(fā)明二氧化錳/碳微球復(fù)合材料的制備，是以葡萄糖為起始原料，先通過水熱法制得納米碳微球，再通過原位自組裝使碳微球與二氧化錳復(fù)合而得。具體制備工藝如下：

（1）納米碳微球的制備：將葡萄糖粉充分溶于去離子水中，于160~200℃下水熱反應(yīng)12~24h；冷卻到室溫后，抽濾，產(chǎn)物用無水乙醇和去離子水洗滌，烘干，即得納米碳微球(CMSs)；

（2）二氧化錳/碳微球復(fù)合材料的制備：將納米碳微球和KMnO₄于去離子水中混合均勻，加入濃硫酸使反應(yīng)體系的pH=1~2；然后在油浴下加熱至75~90℃，回流0.5~1.5h；待反應(yīng)體系冷卻到室溫后，抽濾，產(chǎn)物用無水乙醇和去離子水洗滌，烘干，即得二氧化錳/碳微球復(fù)合材料（MnO₂/CMSs）。?其中碳微球和KMnO₄的質(zhì)量比控制在1:8~1:9。

二、二氧化錳/碳微球復(fù)合材料的制備的結(jié)構(gòu)表征

下面通過場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、熱分析儀(TG)、紅外譜圖(FTIR)及X射線衍射(XRD)對本發(fā)明制備的二氧化錳(MnO₂)?納米棒材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。

1、掃描電鏡（SEM）分析