[发明专利]一种核壳结构的锰酸钴-掺氮空心碳球复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种核壳结构的锰酸钴‑掺氮空心碳球复合材料及其制备方法和应用。该复合材料为核壳结构，纳米片状的锰酸钴均匀包覆在掺氮空心碳球表面。其制备方法如下：1)将掺氮空心碳球分散到高锰酸钾和钴盐的混合水溶液中，进行水热反应，后处理得核壳结构的钴锰双氢氧化物‑掺氮空心碳球复合材料；2)将步骤1)所得产物在惰性气体氛围下煅烧处理即得核壳结构的锰酸钴‑掺氮空心碳球复合材料。该制备方法所需原料简单，价格低廉且来源广，制备成本低，操作过程简单，有利于工业化推广。该复合材料可用作超级电容器电极材料，表现出更高的电容性能和倍率性能，具有大规模工业化应用价值。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种核壳结构的锰酸钴-掺氮空心碳球复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着化石能源的持续消耗和所带来的环境污染，清洁可再生能源的研究和发展变得越来越紧迫，例如太阳能风能的利用和开发，并且先进的能源储存技术也需要进一步提高。超级电容器具有很大的功率密度和优异的循环稳定性，在能量转换和存储领域变得越来越重要，并且能够补充持续的能源消耗和减轻环境的污染。

在实际应用方面，具有高能量密度和环境友好型的超级电容器电极材料仍然面临着巨大挑战。虽然超级电容器可以在几秒内释放出非常高的功率密度，但是用商业活性炭制作的超级电容只有很小的能量密度，比电池的能量密度小很多。因此，提高超级电容器的能量密度是现在需要急切解决的问题。

过渡金属氧化物作为一种可供选择的电极材料吸引了广泛的关注，主要是因为它们的理论比容量要比碳材料高2-3倍。过渡金属氧化物具有价格低、环境友好性和高比容量被认为是一种很有前景的超级电容电极材料。其中，锰酸钴作为双金属氧化物电极，具有高比容量和高倍率性能等特征。因此，不同形貌的纯锰酸钴材料被大量的合成和研究，例如纳米管、纳米线、纳米花和空心球等。但是锰酸钴因为低的导电性限制了它们的实际应用，其中可以通过在锰酸钴中引入导电性好的碳材料提高其导电性，进而提升其电化学性能，但是锰酸钴/碳复合材料的比电容和倍率性能的提升仍然有限。如何通过简单的方法在锰酸钴电极材料中引入碳材料，得到结构稳定、电化学性能良好的复合材料，是人们面临的一个重要科学问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种核壳结构的锰酸钴-掺氮空心碳球复合材料及其制备方法和应用。该复合材料的微观结构为核壳结构，锰酸钴纳米片垂直均匀布设于掺氮空心碳球表面，其制备原料简单，操作方便，产品尺寸均匀，应用于超级电容器电极材料时比电容量高和倍率性能好。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

提供一种核壳结构的锰酸钴-掺氮空心碳球复合材料，该复合材料为核壳结构，其中掺氮空心碳球作为支撑核，锰酸钴作为包覆壳均匀包覆在掺氮空心碳球表面，其中锰酸钴为纳米片状，且垂直均匀布设于掺氮空心碳球表面。

按上述方案，掺氮空心碳球的平均直径为240-320nm，壁厚为20-60nm。

按上述方案，核壳结构的锰酸钴-掺氮空心碳球复合材料的平均直径为380-440nm。

按上述方案，掺氮空心碳球按质量比计为锰酸钴的10-40％。

本发明提出了上述核壳结构的锰酸钴-掺氮空心碳球复合材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将高锰酸钾和钴盐溶解在水里，然后将掺氮空心碳球通过超声分散到高锰酸钾和钴盐的混合水溶液中，进行水热反应，后处理得核壳结构的钴锰双氢氧化物-掺氮空心碳球复合材料；

(2)将步骤(1)所得的核壳结构的钴锰双氢氧化物-掺氮空心碳球复合材料在惰性气体氛围下煅烧处理，即得核壳结构的锰酸钴-掺氮空心碳球复合材料。

按上述方案，高锰酸钾和钴盐的摩尔比为(0.5-4)：1。