[发明专利]MnO2/石墨纳米片复合材料及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种MnO₂/石墨纳米片复合材料及其制备方法；本发明同时还涉及该MnO₂/石墨纳米片复合材料作为超级电容器电极的应用。

背景技术

能源和环境问题是目前人类亟需解决的两大问题。在化石能源日渐枯竭、环境污染日益严重和全球气候变暖的今天，寻求替代传统化石能源的可再生绿色能源、谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。随着电动汽车、混合动力电动车的逐步市场化，以及各种便携式用电装置的快速发展，均需要高效、实用、“绿色”(零污染、低污染) 的能量储运体系。对于新型的“绿色”储能器件，在关切其“绿色”的同时，高功率密度、高能量密度则是其是否可以真正替代传统能量储运体系的重要指标。超级电容器是目前重要的“绿色”储能装置。超级电容器按贮能机理可以分为双电层电容器(Electrical Double Layer Capacitance)和法拉第赝电容器(Faradic Pseudocapacitance)。双电层电容器是建立在双电层理论基础之上的，通过电极/电解液界面的电子或离子的定向排列造成电荷的对峙所产生的。根据电容量的公式，双电层电容器与电极表面积成正比，与双电层厚度成反比，在强电解质的浓溶液中，双电层厚度的数量级在10^–10 nm，通过适当选择具有高比表面积的电极材料，可以得到很大的电容量。碳材料具有理想的物理及化学性能（如：较大比表面积等），是双电层电容器的理想材料。法拉第赝电容也叫法拉第准电容，是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应，产生的与电极充电电位有关的电容。在电极的比表面积相同的情况下，法拉第赝电容器的比电容是双电层电容器的10~100倍，其电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。复合电极材料作为超级电容器电极材料，不仅能够实现材料性能和成本的合理利用，并且具有单一电极材料所不具备的优良性能，应用前景十分广泛。其中廉价的MnO₂电极材料由于其具有高的比电容，制备原料来源广泛以及环境良好等优点成为了研究的热点，因此可以引入高容量的MnO₂电极材料来提高超级电容器复合材料的容量。

发明内容

本发明的目的是提供了一种MnO₂/石墨纳米片复合材料的制备方法。

本发明的另一目的是提供该MnO₂/石墨纳米片复合材料作为超级电容器电极的应用。

本发明MnO₂/石墨纳米片复合材料的制备，是先将经清洗处理的石墨棒进行电化学剥离处理，得到石墨纳米片基底表面；再利用高压静电吸附的方式将高锰酸根吸附在石墨纳米片表面，然后采用还原剂还原高锰酸根，使MnO₂沉积在石墨纳米片基底上，得到MnO₂/石墨纳米片复合材料。

所述石墨棒的清洗工艺为：将石墨棒进行打磨处理使其表面比较平整光滑，用高纯水反复超声清洗后置于4~8 mol/L的HCl溶液中刻蚀20~60min；刻蚀完毕后用高纯水超声清洗以除去石墨中的无机物；然后用水、丙酮溶液依次超声清洗以除去石墨中的有机物质，真空干燥，以除去残留的丙酮。

所述石墨棒为天然石墨棒，人工石墨棒，或高温裂解石墨棒。

所述石墨棒的电化学剥离处理工艺为：将经清洗的石墨棒置于0.01~0.05mol/L阴离子表面活性剂的水溶液中，控制电压在2~9V，电剥离处理15~24h，洗涤，得到石墨纳米片基底表面。阴离子表面活性剂可采用十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸、聚苯乙烯磺酸钠或十六烷基苯磺酸钠等。

所述高压静电吸附工艺为：将KMnO₄与KOH的混合溶液移于石墨纳米片基底表面，利用100 ~ 400V的高压电，采用静电吸附的方式将MnO₄^-吸附在石墨纳米片表面。混合溶液中，KMnO₄的浓度为1~4mM，KOH的浓度为2~6mM，混合溶液的用量为0.2~1.6L/m²。

所述还原高锰酸根的工艺为：在100 ~ 400V的高压电条件下，采用易挥发的还原剂，利用其自挥发性还原MnO₄^-，生成MnO₂沉积在石墨纳米片基底表面。所述易挥发的还原剂为乙醇、乙腈、水合肼、氨水；一般还原时间控制在20~40min，MnO₂在石墨纳米片基底上沉积的厚度为3~6 nm。