[发明专利]一种空心MnO2纳米纤维电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电极材料领域，特别涉及一种空心MnO₂纳米纤维电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器由于具有高的功率密度和长的循环寿命可以作为未来可穿戴电子设备和微电子器件的电源。众所周知，电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一。MnO₂由于具有成本低、资源丰富、环境友好和理论比电容高等优点而被认为是众多过渡金属氧化物中最为吸引人的一类电极材料。然后MnO₂材料的低电导率导致其比电容和倍率性能有待进一步提高。近年来，科研人员通过多种方法改进这一严重问题，方法一是制备基于MnO₂复合材料：将单一MnO₂材料与贵金属、导电聚合物、碳材料和金属氧化物等复合，以期待提高单一MnO₂材料的性能，但这种方法制备过程比较复杂、耗时且成本高。方法二是通过结构和形貌工程制备具有不同结构和形貌的MnO₂材料，包括纳米线、纳米花、纳米片和空心球等。一维空心纳米结构由于能提供更多的电化学反应位点、缩短电极和电解液间的离子传输距离和在高电流密度下提高电极材料利用率等优点而在超级电容器领域受到广泛关注。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种空心MnO₂纳米纤维电极材料的制备方法，该方法简单，制备得到的空心MnO₂纳米纤维电极材料具有大的比表面积和优异的电化学性能，在储能领域有着潜在的应用价值。

本发明的一种空心MnO₂纳米纤维电极材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将聚丙烯腈与溶剂以比例为1g:100ml-5g:10ml混合，搅拌，纺丝，得到前驱体纳米纤维，放入马弗炉中稳定，然后在氮气环境下碳化，得到碳纳米纤维；

(2)将步骤(1)中碳纳米纤维和KMnO₄以质量比为0.1-0.2溶解于溶剂中，搅拌，得到混合溶液，倒入反应釜中水热反应，离心，洗涤，干燥，得到空心MnO₂纳米纤维电极材料，其中混合溶液中KMnO₄的浓度为0.01-0.1M。

所述步骤(1)中溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。

所述步骤(1)中纺丝的电压为10-20kV。

所述步骤(1)中纺丝的喷速为0.05-1mL/h。

所述步骤(1)中稳定的温度为200-400℃，稳定的时间为100-600min。

所述步骤(1)中碳化的温度为800-1200℃，碳化的时间为100-600min。

所述步骤(2)中溶剂为水；反应釜为聚四氟乙烯水热反应釜。

所述步骤(2)中水热反应的温度为100-200℃，水热反应的时间为1-24h。

所述步骤(2)中洗涤为分别用去离子水和乙醇洗涤。

所述步骤(2)中空心MnO₂纳米纤维电极材料是由超薄MnO₂纳米片自组装成。

有益效果

(1)本发明的方法简单，可以大规模生产，为未来MnO₂材料的大规模实际应用提供了一种解决办法。

(2)本发明制备得到的空心MnO₂纳米纤维电极材料具有均匀形貌结构，具有大的比表面积，提高了电极材料的利用率，具有优异的电化学性能，在储能领域有着潜在的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例1制备得到的(a)碳纳米纤维和(b-d)空心MnO₂纳米纤维电极材料的扫描电镜图。

图2是本发明实施例1制备得到的空心MnO₂纳米纤维电极材料的电化学性能图((a)为空心MnO₂纳米纤维电极材料的比电容和倍率性能；(b)为空心MnO₂纳米纤维电极材料的循环稳定性能，其中插图为不同循环次数下的循环伏安曲线)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1