[发明专利]一种Cu-MnO/碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明以静电纺丝法再经炭化制备了Cu‑MnO/碳纳米纤维复合材料，本发明方法所制得的Cu‑MnO/CNF复合材料具有较高的比表面积比和电导率；将本发明的复合材料应用于超级电容器能有效生成电容量大、寿命长、污染低的电极材料；本发明将低价态氧化锰与金属铜共同负载于碳纳米纤维上，在一定程度上改善了碳纤维的导电性使复合材料的电导率较大，另一方面金属单质Cu和氧化锰在充放电时为氧化还原反应提供了更多的的活性位点和可移动粒子，使所制成的电极材料能够较容易的发生可逆的氧化还原反应，且电极的电容在大电流密度下的循环保持能力较好；并且优化了工艺反应条件，大幅简化了合成工艺并缩减了成本。

技术领域

本发明涉及碳纤维领域，具体涉及一种Cu-MnO/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器是一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，因具有功率密度大、充放电效率高、循环稳定性好、使用温度范围宽和环境友好等优点而备受关注，并被应用于电动汽车、电压补偿及制动能量回收等领域。电容器的核心部件是电极材料。根据储能机理不同，电极材料分为双电层型的碳材料、赝电容型的金属氧化物和导电聚合物。碳材料具有良好的电导率和稳定性，但比电容不高；金属氧化物理论比电容值高，但稳定性较差。将2种材料合二为一会发挥各自的优点实现协同效应，对于提升电极材料的电化学性能具有重要意义。

在众多金属氧化物中，氧化锰MnO_x由于具有成本低、环境友好和电位窗口宽等优点而被认为是最有前途的电极材料。但是，氧化锰MnO_x的体积膨胀效应和较差的导电能力导致其循环稳定性较差，大大降低了其电化学性能。研究发现，通过复合碳材料可有效解决这一问题。但氧化锰MnO_x结构多为粉体状，无法满足柔性电子器件的电极要求，因此，在结合碳材料的同时，还需将具有高赝电容的氧化锰MnO_x颗粒构建成一维柔性纤维材料以适应柔性超级电容器的发展需求。

静电纺丝技术是制备一维纳米纤维材料的最佳手段。其首先使一定黏度的带电高分子溶液或熔体在高压静电场作用下发生流动与形变细化，然后在空气中经溶剂挥发或熔体冷却而固化在收集装置上，最终得到纳米纤维。该方法以其独特的优点受到研究人员的广泛关注。通常，由静电纺丝与高温煅烧技术可以直接制备MnO_x纳米纤维，其中Mn为较低的氧化态(x＜2)，而最近的研究表明，低氧化态的Mn通常会限制MnO_x的比电容。

目前研究金属Cu及金属氧化物MnO负载在碳纳米纤维上作为超级电容器的电极材料这方面的研究很少。

发明内容

为了解决碳纳米纤维作为碳基电极时比电容低、循环性能及电导率差的技术问题，而提供一种低价态氧化锰与金属铜共同负载于碳纳米纤维上的Cu-MnO/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。本发明通过以下技术方案实现：

一种Cu-MnO/碳纳米纤维复合材料，所述复合材料的结构是在碳纳米纤维上负载金属单质铜和氧化锰，所述金属单质铜和氧化锰的负载量以质量百分数计分别为15％～37％和19％～47％。

一种Cu-MnO/碳纳米纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)纺丝液的制备：将聚丙烯腈溶于良溶剂中，搅拌均匀得到溶液A；将铜盐倒入溶液A中，室温下搅拌得到混合溶液B；将锰盐倒入混合溶液B中，室温下搅拌得到混合溶液C；

(2)前驱体的制备：将混合溶液C进行静电纺丝，静电纺丝完成后在室温下干燥，制得前驱体Cu-Mn/PAN纳米纤维；

(3)Cu-MnO/碳纳米纤维复合材料的制备：将步骤(2)所得前驱体置于惰性气体的下煅烧制得Cu-MnO/碳纳米纤维复合材料(即Cu-MnO/CNF)。

进一步地，步骤(1)中所述的良溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。