[发明专利]一种生物质碳气凝胶-MnOx

说明书

本发明公开了一种生物质碳气凝胶‑MnO_x复合电极材料的制备方法及其应用。以萝卜为原料，通过水热碳化和冷冻干燥制备碳气凝胶，再以CO₂为活化剂进一步改善孔隙结构，为之后的MnO_x生长提供了空间，通过硝酸锰浸渍以及空气氛围煅烧成功制备生物质碳气凝胶/MnO_x复合电极材料。制备的复合电极表现出碳气凝胶双电层电容和MnO_x法拉第赝电容协同效果，在2 M KOH电解液的三电极系统中质量比电容为557 F/g。本发明以萝卜生物质为原料，来源广泛、生长周期短、成本低，制备过程工艺简单、绿色环保，将MnO_x生长在碳气凝胶碳骨架上，制备的超级电容器表现出高的质量比电容和高的能量密度、功率密度，是一种具有潜在应用价值的合成工艺，有利于实现大规模的工业合成。

技术领域

本发明属于储能材料与生物质绿色利用的能源化工技术领域，具体涉及一种生物质碳气凝胶-MnO_x复合电极材料的制备方法及其应用。

背景技术

随着世界化石燃料能源消费的快速增长和人口的急剧增加，开发可再生、清洁、低成本、高效的替代能源已迫在眉睫。由于水能、风能、生物质能和太阳能等可持续和可再生资源的能源产量迅速增加，需要不断加大研究力度，以有效地存储和输运此类可再生能源。在众多的储能技术中，超级电容器以其容量大、充放电快、循环稳定性强、无毒性等优点越来越受到人们的关注，成为下一代储能设备中最有前途的候选者之一。

根据其储能机理，超级电容器主要分为双电层电容器(EDLCs)和赝电容电容器。EDLCs通过将电解质中的离子聚集在电极材料处形成电场，而赝电容电容器通过快速可逆氧化还原反应中的电子转移来存储电荷。电极材料对超级电容器的电化学性能有着重要的影响。对于EDLCs来说，电极材料需要能够从电解液中储存大量的离子，因此需要具有发达的孔结构和较大的表面积。多孔碳基材料，如活性炭、碳纳米管、石墨烯、碳气凝胶等，通常具有多孔性可控、表面积大、电导率高、无毒性等特点，在大多数情况下被选择作为电极材料。在多孔碳基材料，碳气凝胶是一种新型的多孔碳材料, 由于其三维结构已经吸引了越来越多的关注。然而，由于纯碳气凝胶的表面积较低，其比电容相对较低，这极大地限制了其在商用超级电容器中的应用。与碳材料相比,赝电容材料通常表现出大的比电容和高的能量密度, 其中MnO_x (MnO₂、MnO、Mn₃O₄及其复合材料)由于其成本低、自然资源丰富、环境友好性好，被认为是最有前途的高性能超级电容器赝容材料之一。然而，MnO_x较差的电导率阻碍了其广泛的应用。基于上述的不足，急需要研发一种超级电容器新材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种生物质碳气凝胶-MnO_x复合电极材料的制备方法及其应用，该方法首先合成整体式的碳气凝胶，然后在碳气凝胶碳骨架上进行MnO_x生长，制备碳气凝胶/MnO_x复合电极材料。该方法原料及合成工艺绿色简单，成本低廉，所制备的电极材料同时具有双电层电容特性和赝电容法拉第反应，表现出优异的电容性能。本方法的提出成功解决了碳气凝胶质量比电容相对较低和MnO_x较差电导率的问题。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案：