[发明专利]一种中空蜂窝状MnO2/C微纳米球和微米棒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学材料制备领域，具体涉及一种比容量大、倍率性能好、循环寿命长和价格便宜、环保的超级电容器用中空蜂窝状MnO₂/C微纳米球和微米棒的制备方法。

背景技术

随着各国对能源需求的日益增长和环保意识的日益增强，环保清洁能源的开发与利用显得尤为迫切。超级电容器作为一种新型储能装置，由于具有功率密度大、充放电速率快、适用温度范围宽、循环寿命长、安全系数高、免维护、经济环保等优点，在移动通讯、信息技术、航空航天和国防科技等领域都有广泛应用，特别是环保型电动汽车的兴起，超级电容器显示了前所未有的应用前景。RuO₂在水系酸性溶液中具有高达720 F/g的比电容，且有良好的可逆性，然而价格昂贵和本身的毒性限制了其应用。而MnO₂因其成本低、来源广、电化学性能好和对环境友好，其作为超级电容器的活性电极材料具有很大的应用前景。

理论上MnO₂的比电容可达1370 F/g，但MnO₂理论容量利用率偏低，究其原因是因为：1、MnO₂是半导体材料，其导电性差；2、MnO₂的储能是表面反应，致使“大量的”内部活性物质不能充分利用。因此，粉末MnO₂电极的比电容范围大多数为100-300 F/g，远低于理论值；而MnO₂薄膜电极的比电容则可达600-700 F/g。尽管MnO₂薄膜电极比电容较高，但当单位面积的活性物质增加，膜增厚以后，比电容下降很快，因此，MnO₂薄膜电极面积比电容并不高。

基于上述原因，合成具有中空蜂窝状MnO₂/C微纳米球和微米棒材料是提高其理论容量利用率的有效途径。该结构的特殊性，使其中空结构作为电解液储存池以缩短离子扩散距离，相互连接的蜂窝状多孔结构提供快速的离子输运通道，并使其比表面积剧增，因而产生了常规MnO₂材料所不具备的表面效应、小尺寸效应，可在电极反应中增加放电容量，水热法是一种制备微纳米MnO₂最常用的方法之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种比容量大、倍率性能好、循环寿命长和价格便宜、环保的超级电容器用中空蜂窝状MnO₂/C微纳米球和微米棒的制备方法。

本发明的技术方案是：一种中空蜂窝状MnO₂/C微纳米球和微米棒的制备方法，它的步骤如下：

（1）碳材料纯化：首先将碳材料进行干馏炭化，氩气保护，炭化温度为800-900 ℃，炭化时间10-14 h，然后将烧制好的碳材料放到玛瑙研钵中，与氢氧化钾混合研磨，碳材料与氢氧化钾的质量比为1：4-6，最后在管式炉中进行活化后，冷却到室温，得到纯化过的碳材料；

（2）将锰盐加入去离子水中，磁力搅拌，溶解后加入步骤（1）中纯化过的碳材料，再加入高锰酸钾并搅拌，之后转置于水热反应釜中，高锰酸钾与锰盐的物质的量之比为0.1~10:1，碳材料的加入质量为锰盐质量的0.1~20%，以二氧化锰质量为基准，碳材料的加入量为二氧化锰量的1~15%，去离子水的加入量为使水热反应釜的填充率为10~90%；

（3）将水热反应釜置于烘箱中，在100~200 ℃恒温水热条件下反应1~15 h后冷却至室温，得到水热反应产物；

（4）将水热反应产物用去离子水反复洗涤过滤，直至未反应物完全去除且洗涤液的pH为7，然后将所得产物在烘箱中60~150 ℃的条件下干燥8~24 h，取出后研磨至800~1600目，即得到超级电容器用中空蜂窝状MnO₂/C微纳米球和鸟巢型微米棒材料。

所述碳材料为竹炭、活性炭或氧化石墨。

所述锰盐为氯化锰、硫酸锰或乙酸锰。