[发明专利]高比电容Mn3O4/石墨烯复合电极材料的绿色制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高比电容Mn₃O₄/石墨烯复合电极材料的制备方法，尤其是一种工艺简单、成本低廉、利于环保、适合大规模生产的高比电容Mn₃O₄/石墨烯复合电极材料的绿色制备方法。

背景技术

因具有来源丰富、价格低廉、环境友好以及优异的电化学性能等特点，Mn₃O₄是一种广受关注的过渡金属氧化物，并被广泛应用于电池的电极材料，但是因导电性（~10^-7-10^-8S/cm）低而限制了其电容量的发挥，与高导电性的物质复合是一种充分发挥其电化学性能的有效方法。

石墨烯是由碳原子六角结构（蜂窝状）紧密排列构成的二维单层石墨，是构造其他维度碳质材料的基本单元。自2004年被首次发现以来，立即引起了科学界的极大兴趣，有关石墨烯的基础研究和应用研究成为世界上各个国家关注的热点。石墨烯具有许多优异的性能，如大的比表面积、好的机械性能以及化学稳定性。其最大的特性是其在室温下传递电子的速度比已知的任何导体都快，其中电子的动速度可以达到光速的1/300，大大超过了电子在一般导体中的运动速度。另外，它也是目前已知材料中电子传导速率最快的材料，其室温下的电子迁速率可高达15000 cm²/ (V．s) (Y. B. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Sto mer, Nature 2005, 438, 201-204.)。

目前已有制备Mn₃O₄/石墨烯复合物的相关报道，所制备的Mn₃O₄/石墨烯复合物可制成高比电容电极。但是，现有的制备方法大都是先用强酸（如浓硫酸或高氯酸）和强氧化剂（如高锰酸钾）将石墨或可膨胀石墨氧化，然后通过离心、洗涤、干燥的方法制得氧化石墨，氧化石墨再经过一系列处理后与二价锰盐（如氯化锰或醋酸锰）混合后加热制得石墨烯/Mn₃O₄复合物。（H. L. Wang, L. F. Cui, Y. Yang, H. S. Casalongue, J. T. Robinson, Y. Y, Liang,Y. Cui, H. J. Dai, J. Am. Chem. Soc 2010, 132, 13978-13980. W. Qian, Z. Q. Chen, S. Cottingham, W. A. Merrill, N. A. Swartz, A. M. Gotorth, T. L. Clarec, J. Jiao, Green Chem 2012, 14, 371-377. L. Li, Z. P. Guo, A. J. Du, H. K. Liu. J. Mater. Chem. 2012, 22, 3600-3605.）。舍弃了制备氧化石墨过程中所剩余的大量的酸以及高锰酸钾生成的Mn²⁺和K⁺，不但工艺复杂、费时费力，而且浪费原料，同时废弃的物质又对环境造成了严重的污染。 

发明内容

本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种工艺简单、成本低廉、利于环保、适合大规模生产的高比电容Mn₃O₄/石墨烯复合电极材料的绿色制备方法。

本发明的技术解决方案是：一种高比电容Mn₃O₄/石墨烯复合电极材料的绿色制备方法，其特征在于依次按如下步骤进行：

a. 将石墨加到盛有浓度为98%浓硫酸的烧杯中，冰浴下搅拌2~10小时，缓慢向烧杯中加入高锰酸钾，继续在冰浴条件下搅拌2~10小时；将盛有混合物的烧杯置于35~50℃水浴中1~6小时，再向其中缓慢加入蒸馏水，搅拌均匀后再将水浴温度升至98℃，搅拌1~4小时；从水浴中取出烧杯，搅拌条件下缓慢加入60~80℃的温水，搅拌条件下降温至20~30℃，向烧杯中加入浓度为30%的双氧水，搅拌均匀后得到氧化石墨母液；所述反应物的用量比为石墨：浓硫酸：高锰酸钾：双氧水：蒸馏水：温水=1g：16.3~32.6ml：3~8：1~5ml：30~100ml：100~200ml；