[发明专利]一种含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法

说明书

本发明公开一种用于超级电容器的含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法，其以含氮生物质碳和二氧化锰为原料制备所述电极。首先通过水热法合成二氧化锰纳米线，之后将二氧化锰纳米线、含氮生物质碳和二氧化硅混合，依次经过高温碳化和碱液刻蚀，最终形成复合电极材料。所制备的复合电极材料具有较高的比电容值，在2mol/L的Ca(NO₃)₂电解液中，比容量最高可达357.5F/g，并且具有优异的循环稳定性，5000次循环后，比容量依然可以保持97.2％。本发明所用生物质碳为可再生资源，二氧化锰为环境友好型原材料，都具有原料丰富且成本较低的特点。本发明制备的超级电容器用复合电极性能优异，且操作简单，可以满足能量存储的应用需求。

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料制备领域，并且具体涉及一种用于超级电 容器的含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法。

背景技术

超级电容器由于其高功率密度、高循环寿命和高稳定性等优点，引起了人 们的极大关注。依据储能机理可以将超级电容器分为两类：双电层电容器和赝 电容器。其中，双电层电容器依靠电极/电解液界面形成的静电双电层来储存电 荷，所用电极材料以高比表面积的碳材料为主。赝电容器通过在电极材料表面 或体相发生可逆的氧化还原反应来储存电荷，所用电极材料主要包括导电聚合 物和金属氧化物。

超级电容器当前面临的主要技术挑战是寻找能够满足其需求的高性能电极 材料。源自生物质资源的多孔碳材料具有很大的比表面积和有利于电解液离子 扩散的丰富的孔结构，是用来制备超级电容器电极的一种理想材料。但基于双 电层的储能原理导致碳材料的储能密度受限，通过选择含氮丰富的生物质碳可 以在碳材料中引入含氮官能团，利用此类官能团在充放电过程中的氧化还原反 应可以引入额外的赝电容，提高电容性能。通过将过渡金属氧化物嵌入碳材料 多孔网格内也可以进一步提升超级电容器的电容性能，其中MnO₂由于廉价、 环保以及电容性能优异而备受关注。而MnO₂的形貌对其电容性能影响巨大。 控制特定形貌的MnO₂使其均匀嵌入多孔碳网格中是一个重要的发展方向。

发明内容

为了解决现有含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极制备时存在的技术问 题，本发明提供一种用于超级电容器的含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的 制备方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种用于超级电容器的含氮多孔 碳/二氧化锰(MnO₂)纳米线复合电极的制备方法，其包括以下步骤：

(1)MnO₂纳米线的合成；

将KMnO₄和K₂S₂O₈溶解于去离子水中形成混合溶液一，将所述混合溶液 一进行水热反应，其中，KMnO₄、K₂S₂O₈、去离子水的重量比例为 0.75∶1.30∶15；反应结束后，对产物进行清洗，并60℃真空干燥处理，得到 MnO₂纳米线；

(2)含氮多孔碳/MnO₂复合电极材料的制备；

将MnO₂纳米线、含氮生物质、SiO₂纳米颗粒混合分散到另行准备的去离 子水中形成混合溶液二，所述混合溶液二超声处理30分钟，其中，MnO₂纳米 线、含氮生物质、SiO₂纳米颗粒、另行准备的去离子水的重量比例为 (0.01～6)∶2∶2∶50；将所述混合溶液二置于在80℃环境中至溶剂全部蒸发， 并进一步在-40℃下冷冻干燥12小时，将得到产物进行热处理，并进一步用2 mol/L的KOH溶液处理，以实现对SiO₂的刻蚀并得到最终产物含氮多孔碳 /MnO₂纳米线复合电极材料。