[发明专利]一种可拉伸硼氮掺杂二氧化锰纳米纤维膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电化学材料技术领域，具体公开一种可拉伸硼氮掺杂二氧化锰纳米纤维膜及其制备方法和应用。所述可拉伸硼氮掺杂二氧化锰纳米纤维膜具有芯壳结构，壳层包括纳米花状硼氮掺杂二氧化锰，芯层包括聚己内酯。硼氮共掺杂MnOsubgt;2/subgt;，提高了MnOsubgt;2/subgt;材料的导电率和结构稳定性，芯层聚己内酯能提高MnOsubgt;2/subgt;材料的循环稳定性，并赋予了复合材料优异的拉伸性能，在较高的形变下依然可以保持良好的电化学性能。本发明通过同轴静电纺丝一步法制备得到核壳结构的硼氮掺杂纳米花状二氧化锰/碳纳米管纤维电极，其显示出良好的延伸性和宽工作电压窗口，适合于在穿戴式医疗监控、通讯设备或其他小型电子产品中应用，应用潜力巨大。

技术领域

本发明涉及电化学材料技术领域，尤其涉及一种可拉伸硼氮掺杂二氧化锰纳米纤维膜及其制备方法和应用。

背景技术

对于可穿戴系统和智能纺织品来说，电子元器件需置入或缝入衣服中，因此，开发出轻薄且具有柔性的便携式储能器件十分有必要。超级电容器应用于可穿戴电子设备中需要具备如下条件：首先，电子组成必须足够小型化，并且在满足变形要求的同时保持良好的电化学性能；其次，电源必须是轻型的，且不会发生爆炸；第三，电源需要具有较长的寿命，以保证一次充电后的长期使用(因为大多数应用需要对来自身体或外部的连续信号进行检测)。

二氧化锰具有资源丰富、价格低、环境友好等优点，作为电极材料受到了广泛关注，但是，由于二氧化锰导电性较差，极大地制约了其广泛应用。元素掺杂可以改变材料的物理化学性质，在材料中引入电离能较低的掺杂原子可以有效提升材料中的自由离子浓度与体系的导电率。目前，非金属掺杂强化二氧化锰材料电化学性能的研究主要以C、N元素掺杂为主，这些元素掺杂虽然在一定程度上可以改善二氧化锰的导电性，但是元素的掺杂量和掺杂效能通常非常有限，且掺杂元素容易在颗粒表面聚集，易吸附在表面或者自成核，从而限制了电化学性能的进一步提高。再者，对于储能器件而言，需要在高能量密度的前提下保证安全性，因此，通常利用水系电解液代替有毒的有机电极液。对于水基超级电容器，由于水的电化学稳定性，工作电压通常被限制在1.1V以下，限制了能量密度的提高，从而严重阻碍了其实际应用。因此，开发一种新型二氧化锰基材料以提高超级电容器的能量密度、扩大电压窗口范围，并使其能够很好地适用于可穿戴系统和智能纺织品，对于扩大二氧化锰在电化学领域的范围具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有超级电容器的电极电压窗口窄、能量密度低且不具有可拉伸性的问题，本发明提供一种可拉伸硼氮掺杂二氧化锰纳米纤维膜及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种可拉伸硼氮掺杂二氧化锰纳米纤维膜，其特征在于，具有芯壳结构，壳层包括纳米花状硼氮掺杂二氧化锰，芯层包括聚己内酯。

相对于现有技术，本发明提供的可拉伸硼氮掺杂二氧化锰纳米纤维膜，以硼氮元素共掺杂纳米花状MnO₂，其中，B掺杂后能与O以强烈的共价键结合在一起，使MnO₂出现表面结构弯曲和畸变，导致B掺杂层面形成的氧空穴位增加，从而增加MnO₂的导电性；另一方面，B的半径比大部分金属和O原子的半径小，可以作为金属氧化物晶格中的空隙和替代成分，导致花状MnO₂(001)晶面的晶格间距增大，抑制电化学反应过程中的晶格氧析出，稳定氧离子的框架，从而有利于实现高键能异质原子的高效掺杂；N的掺杂，可提高MnO₂材料晶体结构稳定性，同时，还能降低MnO₂轨道间的能级差，使电子所受束缚减弱，从而提高电子在MnO₂材料中的流动性和运动速率；除此之外，纳米花状MnO₂具有高的比表面积，高的活性位点暴露比，且花状结构间存在的大量空隙可以作为传输通道，加速电化学反应过程的电子转移，以及反应物或者反应产物的扩散和传输，从而有利于显著提高电化学反应的活性和反应效率。