[发明专利]钠离子嵌入型二氧化锰纳米片电极及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种钠离子嵌入型二氧化锰纳米片电极及其制备方法法，该电极可作为超级电容器活性材料。

背景技术

随着能源需求的不断增长，探索具备优良性能的新型清洁能源材料已成为当今的一个挑战。二氧化锰，作为一种超级电容器赝电容材料，由于其具有高容量、低成本、环境友好等优点，已逐渐成为世界范围内的广泛研究。

然而，在二氧化锰超级电容器的研究中也存在着一些问题：首先，其作为超级电容器的能量密度仍然不能满足实际应用的需求；其次，尽管其电化学性能如功率密度和循环性能已经非常好，但是在实际一些要求苛刻的应用中，其性能仍有待于进一步改进；最后，根据当前的研究，二氧化锰在法拉第充放电过程中伴随着氧化还原反应发生，然而，在实际循环伏安测试中并没有观察到对应的氧化还原峰。

为了改善二氧化锰的性能，近来的研究重点集中在如何改善其电化学反应过程中的电子和离子扩散和传输。目前的文献主要报道通过与其他高导电材料进行复合和构造多孔结构来提高二氧化锰的离子和电子扩散。但是，通过在二氧化锰晶体层间嵌入电解液钠离子，从而在硫酸钠溶液中获得更好的电化学性能还未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种钠离子嵌入型二氧化锰纳米片电极及其制备方法，其制备工艺简单、符合绿色化学的要求，所得的钠离子嵌入型二氧化锰纳米片电极具有优良电化学性能，可作为超级电容器活性材料。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：钠离子嵌入型二氧化锰纳米片电极，包括有钠离子嵌入型二氧化锰纳米片，其为Na_0.91MnO₂和Na_0.7MnO₂中的任意一种或它们的混合，其厚度为15-25nm，所述的钠离子嵌入型二氧化锰纳米片均匀分布在泡沫镍基片的表面。

按上述方案，其为下述制备过程所得的产物，包括有以下步骤：

1）按摩尔比50:1取硫酸钠与醋酸锰，经混合配置成浓度分别为1mol/L和0.02mol/L的电化学沉积前驱溶液；

2）采用三电极法搭建电化学沉积平台，将预处理的泡沫镍基片作为工作电极，铂电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极；

3）将三个电极浸入到步骤1）所得电化学沉积前驱溶液中至相同的深度；

4）打开电化学工作站，将工作电极设置为阳极，工作模式设置为计时电位模式，设定阳极沉积电流值为500μA·cm^-2，设定电沉积时间为20-300分钟，然后启动电化学工作站；

5）待电化学工作站停止工作后，取出工作电极，用去离子水冲洗；

6）用滤纸将工作电极包裹，放于通风处自然干燥，即得钠离子嵌入型二氧化锰纳米片电极。

按上述方案，所述的泡沫镍基片的预处理方法是：首先将泡沫镍基片浸泡到1-2mol/L的稀硫酸中预处理20-30分钟，取出后用去离子水超声洗涤2次，烘干备用。

钠离子嵌入型二氧化锰纳米片电极的制备方法，其特征在于，包括有以下步骤：

1）按摩尔比50:1取硫酸钠与醋酸锰，经混合配置成浓度分别为1mol/L和0.02mol/L的电化学沉积前驱溶液；

2）采用三电极法搭建电化学沉积平台，将预处理的泡沫镍基片作为工作电极，铂电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极；

3）将三个电极浸入到步骤1）所得电化学沉积前驱溶液中至相同的深度；

4）打开电化学工作站，将工作电极设置为阳极，工作模式设置为计时电位模式，设定阳极沉积电流值为500μA·cm^-2，设定电沉积时间为20-300分钟，然后启动电化学工作站；

5）待电化学工作站停止工作后，取出工作电极，用去离子水冲洗；

6）用滤纸将工作电极包裹，放于通风处自然干燥，即得钠离子嵌入型二氧化锰纳米片电极。

按上述方案，所述的泡沫镍基片的预处理方法是：首先将泡沫镍基片浸泡到1-2mol/L的稀硫酸中预处理20-30分钟，取出后用去离子水超声洗涤2次，烘干备用。

钠离子嵌入型二氧化锰纳米片电极作为超级电容器活性材料的应用。