[发明专利]一种MnO2@石墨烯胶囊@MnO2复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，尤其是储能电极材料，具体涉及一种二氧化锰和石墨烯胶囊(Graphene capsule,石墨烯胶囊)复合的三明治结构MnO₂@石墨烯胶囊@MnO₂超级电容器电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器是一种新型储能元件，具有功率密度高、充电时间短、大电流工作特性好、寿命长等优点，在电子产品、新能源汽车、产业节能系统等领域都有广泛的应用前景。超级电容器电极材料根据储能机制可分为两类：一是利用双电层机制来储存能量的双电层材料，如活性炭纤维、活性炭、碳纳米管、炭凝胶、炭黑等，这类材料是依靠静电吸附电解液离子实现储能；二是利用材料与电解液离子发生氧化还原反应来储能的赝电容材料，如氧化钒、氧化钴、氧化镍和二氧化锰等，这类材料涉及到吸附/脱附过程或氧化/还原反应，因而具有更高的比容量。碳材料具有良好的导电性和化学稳定性、较大比表面积、低阻抗、成本低等优点，而过渡金属氧化物具有良好的电化学性能。近年来，关于碳材料与过渡金属氧化物的复合材料的研究受到了广泛的关注。Ye Hou等(Ye Hou et.al,Nano Lett.(2010)10：2727.l)制备了一种导电高分子/碳纳米管/球形纳米二氧化锰的杂化结构，以提高二氧化锰的利用率和导电性；该方法虽然提高了二氧化锰的循环寿命和比电容，但操作复杂、步骤繁琐，不利于其推广和应用。中国专利 201410720452.7公开了一种采用磁控溅射、电沉积法制备三维碳/二氧化锰复合纳米管阵的方法；该方法中磁控溅射、电沉积等步骤对设备要求高，且二氧化锰的负载量低。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种二氧化锰和石墨烯胶囊 (Graphene capsule,石墨烯胶囊)复合的三明治结构的MnO₂@石墨烯胶囊 @MnO₂超级电容器电极材料的制备方法。本发明采用化学气相沉积(CVD)法和微波法结合制备该三明治结构的电极材料，操作简单，效率高，二氧化锰负载量高、分散性好；且制得的电极材料导电性和循环稳定性良好，具有较高的比电容。

本发明的技术方案如下：

一种三明治结构MnO₂@石墨烯胶囊@MnO₂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将纳米氧化锌置于加热炉内，在惰性气体气氛下加热至400～800℃；保持加热炉内的温度为400～800℃，通入乙炔气体作为反应物，即可在氧化锌颗粒表面上原位生长出石墨烯纳米层，得到石墨烯/氧化锌的复合材料；采用硝酸浸泡得到的石墨烯/氧化锌的复合材料，以去除氧化锌，得到石墨烯胶囊(石墨烯胶囊)；

步骤2、将高锰酸钾与步骤1得到的石墨烯胶囊加入水中，混合均匀，得到高锰酸钾和石墨烯胶囊的混合液；其中，高锰酸钾与石墨烯胶囊物质的量的比为 4：(3～10)，高锰酸钾的浓度为0.05～0.15mol/L；

步骤3、将步骤2得到的高锰酸钾和石墨烯胶囊的混合液置于微波化学反应器中，在500～750W条件下反应3～10min，反应温度控制在90～100℃；反应完成后，将得到的悬浊液离心分离，烘干，即得到所述三明治结构MnO₂@石墨烯胶囊@MnO₂复合材料。

进一步地，步骤1所述纳米氧化锌的粒径为10～200nm；所述通入的乙炔气体的流量为10～50mL/min。

本发明还提供了上述三明治结构MnO₂@石墨烯胶囊@MnO₂复合材料作为超级电容器电极材料的应用。

本发明的有益效果为：

本发明采用CVD法和微波法相结合的方法来制备三明治结构MnO₂@石墨烯胶囊@MnO₂电极材料，所得材料中MnO₂的质量分数为51％～99％，石墨烯胶囊可提高材料的导电性能，附着在石墨烯胶囊内部和外部的二氧化锰具有良好的电化学性能，且石墨烯胶囊的内部和外部空间均可承载二氧化锰，使得二氧化锰的负载量高、分散性好。本发明方法操作简单，效率高，二氧化锰负载量高、分散性好；且制得的电极材料导电性和循环稳定性良好，具有较高的比电容。

附图说明

图1为实施例1步骤1制得的石墨烯胶囊的SEM图；

图2为实施例1制得的MnO₂@石墨烯胶囊@MnO₂复合材料的SEM图；