[發明專利]一種錳氧化物納米結構電極材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202010722698.3
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111986931B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 黃洪;孫賢;司徒粵;曹樹坤
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/24;H01G11/48
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 殷妹

本發明公開了一種錳氧化物納米結構電極材料及其制備方法與應用。所述方法為：1)將碳纖維氧化處理；2)將氧化后的碳纖維置于高錳酸鉀溶液中高溫水熱反應得到電極片；3)將電極片置于醋酸錳溶液中浸泡，再高溫水熱反應，洗滌，干燥，即可得到錳氧化物納米結構電極材料。本發明所制得的錳氧化物納米結構電極材料具有比電容量大、循環性能優異和庫倫效率高等特點，在電流密度為1A/g時的比電容量達1709F/g，在10A/g下充放電循環6000次后電容保持率達初始值的91.9％，庫倫效率達100％。

技術領域

本發明屬于超級電容器技術領域，具體涉及一種錳氧化物納米結構電極材料及其制備方法與應用。

背景技術

能源和環境危機已經成為當今世界面臨的兩大難題，為了解決這一問題，科學家們不斷尋找能夠替代化石能源的可再生新能源，太陽能、風能、氫能等有關環保型能源便應運而生。進入新世紀以來，以電化學為基礎的能源開發和利用得到了迅速發展，最具代表性的為可充電的鋰離子電池的開發和應用，為后來的可移動電子設備的發展奠定了堅實基礎，方便了人們生活。與此同時，另一種綠色環保型電化學儲能裝置超級電容器也得到了迅猛發展。由于其具有充電時間快、功率密度大、高度可逆的循環穩定性能以及價格低廉等特性，被認為是未來很有可能替代鋰電池的候選裝置。由于超級電容器主要以電荷吸附和電子可逆轉移為主的雙電層和贗電容為主要形式，因此其能量密度相比鋰電池并不是很高。為了提升以能量密度為主的超級電容器電化學性能，大量的有關電極材料的研究相繼展開，其中包括過渡金屬氧化物、氟化物、氮化物以及硫化物，碳材料(以石墨烯為代表)，金屬有機框架MOF，有機共價結構COF，MXene材料以及含鋰的類電池材料等。過渡金屬氧化物是除碳材料外研究較為廣泛的電極材料，包含雙電層、贗電容和混合型材料。最初以RuO₂為代表的贗電容類電極材料一度成為超級電容器電極材料的研究熱潮，但由于RuO₂資源缺乏、價格昂貴和對環境有害等原因而逐漸被其他過渡金屬氧化物所替代，其中最具代表性的為錳類氧化物。由于其價格低廉、綠色環保以及具有較高的理論電容，因此近年來相關研究非常普遍，如MnO₂，CNT/MnO₂，grapheme/MnO₂，MnMo₄·H₂O@MnO₂，Mn₃O₄，Mn₂O₃等。然而，由于錳氧化物的導電性能較差，與其他類電極材料復合易掉落，以及制備材料的比電容量相對較小等限制，一直以來都是科學研究和市場化應用的瓶頸和挑戰。

發明內容

為解決現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供一種錳氧化物納米結構電極材料的制備方法。首先，以碳纖維作為基底材料，在高溫下進行碳基材的氧化，以提供致密且均勻的碳空隙和表面氧化官能團；再在高錳酸鉀溶液中高溫下進行水熱生長二氧化錳納米片；反應所得的電極片再作為基底材料于醋酸錳溶液中高溫下進行水熱反應生長出不同晶型的錳氧化物，最后經去離子水反復清洗、干燥后即可獲得高性能錳氧化物納米結構電極材料。

本發明的另一目的在于提供上述方法制得的一種錳氧化物納米結構電極材料。

本發明的再一目的在于提供上述一種錳氧化物納米結構電極材料在超級電容器中的應用。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種錳氧化物納米結構電極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將碳纖維于200～600℃下氧化處理1～8h，得到氧化碳纖維；

(2)將氧化碳纖維加入到高錳酸鉀溶液中，在140～190℃下水熱反應2～8h，洗滌，干燥，得到電極片；

(3)將電極片在醋酸錳溶液中浸泡1～5天，使醋酸錳埋藏于電極片的錳氧化物納米層；然后在150～210℃下水熱反應1～10h，生長出不同晶型錳氧化物，洗滌，干燥，得到錳氧化物納米結構電極材料。