[发明专利]二氧化锰/碳微球复合材料的制备及其作为超级电容器电极材料的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化锰/碳微球复合材料的制备，尤其涉及一种二氧化锰/碳微球(MnO₂/CMSs)复合材料的制备；本发明同时还涉及该二氧化锰/碳微球(MnO₂/CMSs)复合材料作为超级电容器电极材料应用，属于复合材料领域及电化学材料领域。

背景技术

超级电容器是一种新型的能量储存/转化装置，其能量密度高（10kw/kg）、充放时间短、循环寿命长和无污染等优点广泛应用于便携式电子产品，混合动力电动汽车和大型工业设备等。而电极材料的选择是影响超级电容器的主要原因，主要包括金属氧化物，导电聚合物和碳基材料。

MnO₂由于其丰富、价廉、环境友好、活泼的氧化还原活性以及高的理论比电容（1232 F·g^-1）而受到了众多的关注。MnO₂不但无需在强酸或强碱性电解液中而在中性电解液中就能很好地运行，而且还能够展现出快速的充放电能力和类似于非法拉第能量存储行为，这与水合RuO₂的电荷存储机理相似。因此，在超级电容器的应用中MnO₂被认为最有前景的一种RuO₂的替代物。然而MnO₂低的比电容和差的循环稳定性使得其在实际应用中受到了很大的限制，这主要归因于其差的导电性以及在反复循环过程中晶体的膨胀/收缩而造成的剥落，为了弥补这些不足之处，导电碳材料碳微球可以用作支撑材料与MnO₂形成复合物。而单纯的MnO₂导电性差，电化学利用率低，从而限制其在超期电容器中应用。

碳微球是典型的2D碳材料，它具有良好的导电性、大的比表面积、化学性质稳定、机械强度大、振实密度高以及可加工性，可以作为生长活性纳米材料的载体而广泛应用于制备高性能的复合材料。将MnO₂与碳微球进行复合期望得到性能更优的复合材料。

制备二氧化锰/碳微球(MnO₂/CMSs)复合材料作为超级电容器电极材料，得到了具有单一电极不具备的优良性能，应用前景广泛。

发明内容

本发明的目的是结合MnO₂与碳微球CMSs的特性，提供一种二氧化锰/碳微球(MnO₂/CMSs)复合材料。

本发明的目的还在于提供一种二氧化锰/碳微球(MnO₂/CMSs)复合材料的制备方法。

本发明的更重要目的在于提供一种二氧化锰/碳微球(MnO₂/CMSs)复合材料作为超级电容器电极材料的应用。

一、二氧化锰/碳微球(MnO₂/CMSs)复合材料的制备

本发明二氧化锰/碳微球复合材料的制备，是以葡萄糖为起始原料，先通过水热法制得纳米碳微球，再通过原位自组装使碳微球与二氧化锰复合而得。具体制备工艺如下：

（1）纳米碳微球的制备：将葡萄糖粉充分溶于去离子水中，于160~200℃下水热反应12~24h；冷却到室温后，抽滤，产物用无水乙醇和去离子水洗涤，烘干，即得纳米碳微球(CMSs)；

（2）二氧化锰/碳微球复合材料的制备：将纳米碳微球和KMnO₄于去离子水中混合均匀，加入浓硫酸使反应体系的pH=1~2；然后在油浴下加热至75~90℃，回流0.5~1.5h；待反应体系冷却到室温后，抽滤，产物用无水乙醇和去离子水洗涤，烘干，即得二氧化锰/碳微球复合材料（MnO₂/CMSs）。 其中碳微球和KMnO₄的质量比控制在1:8~1:9。

二、二氧化锰/碳微球复合材料的制备的结构表征

下面通过场发射扫描电镜(FE-SEM)、热分析仪(TG)、红外谱图(FTIR)及X射线衍射(XRD)对本发明制备的二氧化锰(MnO₂) 纳米棒材料的结构进行详细说明。

1、扫描电镜（SEM）分析