[发明专利]一种二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料的制备方法与应用

说明书

本发明涉及了一种二氧化锰‑还原氧化石墨烯复合材料的制备方法及其在超级电容器电极材料中的应用。该方法制备过程中所需原料只包括高锰酸钾与氧化石墨烯，无需其他还原剂，采用溶液加热回流反应和后续退火的方法获得产物二氧化锰‑还原氧化石墨烯复合材料，具有操作流程简单、成本低、可控性好、可大量生产等优点。制备的复合材料中二氧化锰低晶纳米结构与还原氧化石墨烯片层连接紧密，结构稳定，克服了二氧化锰‑碳材料复合电极材料组分间结合不紧密，结构不稳定的问题，作为电极材料可以展示出良好的综合性能，尤其是长循环稳定性能优异。

技术领域

本发明属于能源与新材料领域，具体涉及一种二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料的制备方法与应用。

背景技术

随着不可再生能源的日益枯竭和污染加剧，利用可再生的新型高效清洁能源对于减轻环境污染和促进人类的可持续发展至关重要。超级电容器作为一种具有发展潜力的新型储能器件受到研究者们的广泛关注。各种过渡金属氧化物 （如RuO₂, NiO, V₂O₅, MnO₂,Mn₃O₄等）基于快速可逆的氧化还原反应能力能提供较高的电容而常被用于超级电容器电极材料的构建，但它们大多面临循环寿命差的困扰。设计构建长循环稳定的电极材料对于改善超级电容器循环寿命，发挥全寿命周期的储能潜力具有重要意义。二氧化锰的理论比电容为1370 F g^-1，可以在温和的中性电解液体系中使用且表现出不错的性能，对集流体和电池外壳腐蚀作用弱，具有来源广泛，价格低，环境友好，理论比电容高等优点，是一种性价比很高的电极材料。但其导电性差（10^-5-10^-6 S cm^-1），形貌结构易破碎，作为电极材料时循环性能差。将过渡金属氧化物与导电性良好的物质复合制备混合材料是一种有效提升容量和稳定性的策略，对二氧化锰-石墨烯/碳纳米管/多孔碳复合材料的研究和改进一直在进行，但大部分被报道的复合材料都只能在前几千圈的充放电循环中保持较高的容量，继续循环后则容量明显降低。另外，目前常见的复合方法主要为水热法和静电共沉淀法，操作较为复杂，在能耗、污染和大规模制备等方面有明显的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料的制备方法与应用。

本发明方法制备过程中，原料只包括高锰酸钾与氧化石墨烯，无需其他还原剂，采用溶液加热回流反应和后续退火的方法获得产物，具有操作流程简单、成本低、可控性好、可大量生产等优点。制备的复合材料中二氧化锰纳米结构与还原氧化石墨烯片层连接紧密，结构稳定，克服了二氧化锰-碳材料复合电极材料组分间结合不紧密，结构不稳定的问题，作为电极材料可以展示出良好的综合性能，尤其是长循环性能（在10 A g^-1的大电流密度测试下恒流充放电20000次后仍保持100%的比容量）。

本发明提出的一种二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）：将氧化石墨烯分散液与高锰酸钾溶液混合均匀，得到混合溶液体系，所述混合溶液体系的pH值用氢氧化钠调节；加热回流，直到混合溶液中紫色完全消失后停止加热，将混合溶液冷却至室温；高锰酸钾用量为氧化石墨烯质量的1-3倍；

（2）：将步骤（1）中冷却后得到的混合溶液离心洗涤至中性，冻干，得到二氧化锰-氧化石墨烯复合物；

（3）：将步骤（2）中得到的二氧化锰-氧化石墨烯复合物固体粉末置于管式炉中，空气气氛中退火，即得到二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料。

本发明中，步骤(１)中控制混合溶液体系中pH值为10-12。

本发明中，步骤(１)加热回流温度为80℃。

本发明中，步骤(３)中退火温度为400℃，时间为1-2 h。