[发明专利]一种二氧化锰/介孔碳纳米分级复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明是属于新能源材料领域，涉及一种超级电容器电极材料的制备方法，具体涉及一种二氧化锰/介孔碳纳米分级复合材料的制备。

技术背景

超级电容器也叫电化学电容器，是一种新型绿色储能元件，因其具有比电池更高的功率密度和和比传统双电层电容器更高的能量密度而得到广泛关注。尤其是近年来随着全球能源需求持续增长而化石燃料储量的日益减少，以及化石燃料燃烧带来的环境污染严重地影响着人类的生存环境，因此对于洁净、可再生能源的研究与开发就显得极为重要。超级电容器同时具有充放电速度快、循环寿命长、使用温度范围宽、对环境污染小等特点，这使得其作为能量存储设备可应用于混合动力汽车、便携式电子产品、存储备份系统、大型工厂设施以及军事设备等领域。然而，现有的超级电容器仍然具有很多缺点，比如相对低的能量密度、高成本、高自放电速率、缺乏商业化标准等。电极材料是超级电容器核心部件，设计与开发优异的电极材料是提高性能的关键。

有序介孔碳是一种新型的多空碳材料，具有独特的物理和化学性能，其有序介孔结构有利于离子的快速传输，被广泛用作电极材料。与商业化活性碳材料相比，大介孔和二维孔结构的有序介孔碳表现出优异的电容行为、功率输出和高倍率性能。但相对于金属氧化物和导电高分子这两类电极材料来说，碳材料的比容量低。二氧化锰具有成本低、无毒、高理论比容量、稳定性好等优点，是理想的电极材料，但是电阻大。将有序介孔碳渗透并包覆大直径海胆状二氧化锰，使两者结合在一起，充分发挥两种不同材料之间的协同效应，提高复合材料的比表面积和电导率，从而优化电极材料的电化学性能。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提出一种二氧化锰/介孔碳纳米分级复合电极材料的制备方法，并研究其作为超级电容器电极材料的电化学性能。

本发明的构思是这样的：通过水热法制备空心海胆状二氧化锰，将其与有序介孔碳的前驱体酚醛树脂和二氧化硅的前驱体正硅酸乙酯充分混合均匀，使酚醛树脂包覆在二氧化锰表面并浸渍到内部，常温下挥发自组装并使酚醛树脂固化，随后在高温管式炉中碳化。最后用氢氧化钠水溶液除去二氧化硅球得到分级结构的二氧化锰/介孔碳纳米复合材料。将介孔碳材料与海胆状二氧化锰的复合，有利于提高材料的比表面积和导电性，发挥两者间的协同效应，提高材料的电化学性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种二氧化锰/介孔碳纳米分级复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将0.5～1.0g一水合硫酸锰和0.6～1.5g过硫酸铵先后加入到45mL去离子水中，搅拌40～80min，倒入反应釜并将反应釜放入烘箱，在80～120℃的烘箱中保持8～12h，将反应得到的黑色沉淀用去离子水和无水乙醇洗涤烘干，得到具有空心结构的海胆状二氧化锰；

（2）将0.06～0.5g0.2M的盐酸溶液与0.05～0.5g PluronicF127溶解于3～8g无水乙醇中，搅拌均匀后分别加入0.1～1.0g正硅酸乙酯和0.3～2.5g质量分数20%的酚醛树脂乙醇溶液，继续搅拌15～30min得到混合溶液；

所述质量分数为20%的酚醛树脂乙醇溶液中乙醇为溶剂；

（3）将步骤（1）得到的海胆状二氧化锰0.1g加入到步骤（2）的混合溶液中，搅拌超声2～4h，然后将其静置挥发自组装3～6h，放入80～120℃的烘箱保温16～30h得到复合物；

（4）将步骤（3）得到的复合物放入高温管式炉中，在氮气保护下800～1000℃保温1～4h，将复合物中的酚醛树脂碳化，得到黑色产物；

（5）将步骤（4）得到的黑色产物研磨，放入浓度1～2M的氢氧化钠水溶液中搅拌16～30h，除去其中的二氧化硅球，用大量去离子水和无水乙醇洗至中性，烘干，得到二氧化锰/介孔碳纳米分级复合电极材料。

所述二氧化锰/介孔碳纳米分级复合电极材料中，二氧化锰的直径为1～5μm、表面针刺长度为500nm～1μm。

所述分级结构的二氧化锰/介孔碳纳米复合材料为有序介孔碳渗透并包覆海胆状二氧化锰的结构，并随碳含量的变化复合物表面形貌有所不同。

所述二氧化锰/介孔碳纳米分级复合电极材料应用于超级电容器中，其比容量比纯二氧化锰高出0.8～1倍，具有优异的电化学性能。

本发明的有益效果：