[发明专利]一种二氧化锰/碳复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化锰/碳复合材料的制备方法；属于复合材料制备技术领域。

技术背景

由于(煤、石油、天然气等)矿物燃料的减少以及气候变化，发展可持续和可再生能源倍受重视。因此，开发太阳能和风能等可再生能源，以及低CO₂排放量的电动汽车(EVS)或者混合动力车(HEV)已被提上日程。由于太阳能和风具有间歇性的特点，而电动汽车/混合动力汽车在经历150-200公里的续驶里程后则需要充电，因此开发性能优良的电能存储系统，包括电池和电化学电容器(超级电容器)至关重要。

电化学电容器兼有常规电容器功率密度大的特点，同时其能量密度也比较高，被认为是一种高效、实用的新型储能元件。该类元件的容量通常为传统电容器的20～200倍，可达法拉级甚至千法拉级，功率密度则比电池高数十倍，能够满足电动汽车启动加速等高功率输出的需要。

决定电容器电化学性能最重要的因素在于其所用的电极材料。目前，广泛用作超级电容器电极活性物质的材料包括碳材料、导电聚合物和过渡金属氧化物材料。在过渡金属氧化物中，氧化钌是一种电化学性能优异的电极材料，在硫酸水溶液的电解液体系中具有较高的比容量、良好的导电性和稳定性。然而，它的成本高，具有毒性，而且电解液具有腐蚀性，易污染环境。这些缺陷使其难以实现大规模的商业化推广应用，只能在某些国防领域有所运用。相对于氧化钌这样的贵金属氧化物而言，MnO₂、NiO、FeO_x、V₂O₅等贱金属氧化物由于价格低廉，资源丰富，具有推广应用的前景广阔。在这些氧化物中，MnO₂的理论比电容量能达到1370F g^-1，其作为电极材料可在中性水系电解液中表现出良好的电化学特性且电位窗口较宽，是一种很有潜力的电极材料。

然而，纯二氧化锰的电子电导性差(一般10^-4-10^-6S cm^-1)导致其比电容和倍率特性都难以令人满意而无法推广应用。为了获得理想的电容材料，将二氧化锰与具有良好电子电导特性的碳材料复合是最近研究的热点，即通过碳材料提供较高的电活性面积和可靠的导电路径来提高MnO₂的性能。所制备的二氧化锰与各种碳材料，包括活性炭(AC)、碳纳米管、介孔碳、炭黑、石墨烯等的复合材料均展现出了较好的电容性能。目前所涉及的制备方法主要包括粉体共混，在水溶液中通过氧化还原法制备二氧化锰时加入碳材料，在碳材料基体上通过气相沉积负载二氧化锰或通过气相沉积制备碳纤维或碳纳米管阵列后再通过电化学法在这些碳材料表面沉积二氧化锰等。通过粉体共混，以及在化学法制备二氧化锰时向溶液中加入碳材料的方法难以保证所得复合材料中二氧化锰与碳材料的充分接触，影响材料电容性能的发挥。而气相沉积法则在制备成本上尚有不足。因此，寻求新的材料制备方法以克服上述问题是很有必要的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种成本低廉、二氧化锰分散均匀且与碳材料接触充分的二氧化锰/碳复合材料的制备方法。

本发明一种二氧化锰/碳复合材料的制备方法，包括下述步骤：

步骤一

将碳材料和不含金属元素的强氧化性酸进行反应后，固液分离，清洗固相，干燥，得到表面均匀分布有含氧基团的碳材料；

步骤二

将步骤一所得的表面均匀分布有含氧基团的碳材料置于二价锰盐溶液中反应，反应完成后，固液分离，清洗固相，干燥，得到表面均匀分布有二价锰的碳材料；

步骤三

将步骤二所得的表面均匀分布有二价锰的碳材料置于高锰酸盐溶液中进行反应至二价锰全部转化成二氧化锰后，固液分离，清洗固相，干燥，得到二氧化锰/碳复合材料。

本发明一种二氧化锰/碳复合材料的制备方法，步骤一中所述不含金属元素的强氧化性酸选自硝酸、硫酸、次氯酸，氯酸，亚氯酸，高氯酸中的一种；优选为硝酸、硫酸。

本发明一种二氧化锰/碳复合材料的制备方法，所述硝酸的浓度为10-16mol/L，优选为12-16mol/L，进一步优选为15-16mol/l；所述硫酸的浓度为10-18mol/L；优选为12-18mol/L，进一步优选为15-18mol/L。

本发明一种二氧化锰/碳复合材料的制备方法，步骤一中，按10mL-50mL强氧化性酸加入1g碳材料的比例，将碳材料加入强氧化性酸中。