[发明专利]一种泡沫镍/石墨烯/二氧化锰三层结构电极材料的制备方法

说明书

一种泡沫镍/石墨烯/二氧化锰三层结构电极材料的制备方法，本发明涉及电极材料的制备领域。本发明要解决现有二氧化锰电极材料易堆叠、比表面积小、导电性差的技术问题，方法：利用泡沫镍作为基底，氧化石墨烯和KMnO₄作为原料通过水热自组装法制备泡沫镍/石墨烯/二氧化锰三层结构电极材料。本发明所制得的泡沫镍/石墨烯/二氧化锰三层结构复合电极比表面积大、电容值大、循环稳定性好，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及电极材料的制备领域。

背景技术

随着化石燃料的枯竭，开发新型的绿色高效的新型能源及其相关储能装置迫在眉睫。超级电容器，又称电化学电容器，是一种同时具有较高功率度的新型储能器件，目前超级电容器面临的最大问题在于其较低的能量密度。作为超级电容器研发的核心材料，电极材料的表现直接决定燃料电池的性能、稳定性、使用寿命与使用成本。传统使用的超级电容器，如纯碳材料电容器，因碳材料本身没有电化学活性，即在超级电容器充放电过程中电极材料本身不发生电化学反应，电容器的容量主要来自电极/电解液界面处的纯粹的电荷物理吸引累积，所以其虽具有较高功率密度，但能量密度太低。而以MnO₂为代表的一类过渡族金属氧化物具有较高的理论容量值，但导电性差、易堆叠导致比表面积这两大问题在很大程度上限制了MnO₂在超级电容器实际应用中的表现。

石墨烯是单层碳原子以sp2杂化连接组成的二维排列结构，其中碳原子紧密的排列在蜂巢状阵点上，具有蜂窝状或正六边形结构。完美的石墨烯是理想的二维晶体材料，厚度仅为0.34nm。石墨烯作为一种具有高导电性、大比表面积、高载流子迁移率等多种优异特性的二维碳材料，是作为改善MnO₂电容性能的理想材料。采用石墨烯作为MnO₂的载体有如下好处：(1)石墨烯片层能够提供大量的电解质离子进出通道，这些通道有利于电解质离子快速扩散到MnO₂表面；(2)二氧化锰均匀的分布在石墨烯表面，这不仅抑制了MnO₂的堆叠，提高了MnO₂的比表面积，而且利于电解质离子进入MnO₂内部进行氧化还原反应，从而产生较大的赝电容；(3)石墨烯在为MnO₂提供高导电骨架的同时，还可以一部分双电层电容的电容量。

发明内容

本发明要解决现有二氧化锰电极材料易堆叠、比表面积小、导电性差的技术问题，而提供一种泡沫镍/石墨烯/二氧化锰三层结构电极材料的制备方法。

一种泡沫镍/石墨烯/二氧化锰三层结构电极材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、将氧化石墨粉末溶于去离子水中，控制超声频率为60～100KHz，超声1～3h，生成沉淀，静置8～12h，取上层液，离心清洗，放入温度为60～80℃的烘箱中，干燥4～8h，得到少层的氧化石墨烯粉末；

二、将泡沫镍用浓盐酸超声清洗，去除表面的NiO层，再用无水乙醇超声清洗，然后用去离子水清洗，得到泡沫镍基底，将泡沫镍基底放入聚四氟乙烯反应釜中；

三、将步骤一得到的少层的氧化石墨烯粉末和KMnO₄搅拌均匀，然后溶解在去离子水中，得到深紫色溶液，将溶液倒入步骤二装有泡沫镍基底的反应釜中，旋紧釜盖密封；

四、将步骤三得到的反应釜放入加热炉中，加热至温度为80℃～200℃，保温6～24h，待反应结束后自然冷却至室温，反应液中生成固态物质；

五、收集步骤四得到的固态物质，采用蒸馏水和无水乙醇交替清洗，然后放入真空烘箱中，在真空条件下，控制温度为80～100℃，干燥8～12h，得到泡沫镍/石墨烯/二氧化锰三层结构电极材料。

步骤一中氧化石墨粉末为商业氧化石墨粉末，可直接购买得到。