[发明专利]一种复合材料的制备方法和应用

说明书

一种钠离子嵌入的二氧化锰/氮掺杂多孔碳复合材料的制备方法和应用，它涉及一种二氧化锰复合材料的制备方法和应用。本发明的目的是要解决现有二氧化锰作为赝电容型超级电容器的电极材料使用时倍率性差和电容保持率低的问题。方法：一、制备正十二面体的ZIF‑67；二、制备ZIF‑67衍生纳米多孔碳材料；三、复合，得到钠离子嵌入的二氧化锰/氮掺杂多孔碳复合材料。钠离子嵌入的二氧化锰/氮掺杂多孔碳复合材料作为超级电容器的正电极材料使用。本发明可获得一种钠离子嵌入的二氧化锰/氮掺杂多孔碳复合材料。

技术领域

本发明涉及一种二氧化锰复合材料的制备方法和应用。

背景技术

伴随着全球人口增长以及经济的快速发展，不可再生的化石能源逐渐减少，因此，能源危机成为世界各个国家面临的又一大严峻挑战。在这样的时代背景下，能量存储设备(电池、电容器、超级电容器等)和转换设备(燃料电池、太阳能电池等)成为了各大科研机构的研究热点。其中电池例如铅酸蓄电池、镍基电池、钠电池、锂离子电池、空气电池等类型具有较高的能量密度，但是其功率密度较低，充放电时间长，限制了其在一些特定领域的应用。超级电容器的发明给我们的生活带来了曙光。超级电容器是介于普通电容器与化学电池之间的一种新型储能装置，具有高功率密度、高充放电速率、使用寿命长和绿色环保等优点，有望成为本世纪新型的绿色能源。在超级电容器中，电极材料是关键，它决定电容器主要性能，也是影响电容器电容性能和生产成本的关键因素。

目前研究的超级电容器的电极材料主要有碳基材料(包括活性炭、碳纤维、碳纳米管和石墨烯等)、异原子掺杂的碳材料(O掺杂碳材料、N掺杂碳材料)、导电聚合物(聚吡咯PPy、聚苯胺PANI、聚噻吩PTh等)和过渡金属氧化物/氢氧化物(RuO₂、MnO₂、NiO_x/Ni(OH)₂等)等。为了增强超级电容器的比容量和能量密度，过渡金属氢氧化物、氧化物和聚合物作为赝电容型超级电容器的电极材料备受关注。在这些赝电容型电极材料中，二氧化锰(MnO₂)是一种黑色或黑棕色结晶或无定形粉末，它的相对分子质量为86.94，相对密度为5.03g·m^-3，熔点为535℃，不溶于水和硝酸，具有优良的电学、光学、磁学和热学等性质。二氧化锰由于在自然界中含量丰富、价格低廉、具有高的理论比电容(1370F g^-1)、且对环境友好等优点，被认为是最有前景的赝电容型电极材料之一。但是，二氧化锰在超级电容器中的反应机理是依靠二氧化锰和水锰石之间的快速转变发生法拉第赝电容反应来存储和释放电荷，即仅在材料表面或表面很薄的一层才能发生该赝电容反应，电极材料内部的活性物质由于传质较慢而无法在短时间内完成这一转变，因此在大电流工作时，电极容量会有明显损失，倍率性能低。加之MnO₂的导电性差、循环寿命短的缺陷随严重限制了其在超级电容器领域的发展。例如，南京邮电大学(无机化学学报30(11):2509-2515)制备的空心海胆状二氧化锰，在扫速为2mV·s^-1的条件下，比电容值为226F·g^-1；然而当扫速增大到100mV·s^-1时，比电容值却仅为88.5F·g^-1，倍率约为40％。由于碳材料具有良好的导电性及稳定性，与二氧化锰复合，碳材料不仅可以作为二氧化锰的物理支撑，也提供了电荷传输的通道，可提高电极材料的倍率性能及循环稳定性。温州大学(化工技术与开发44(5):1-5)将MnO₂与碳纳米线复合，扫速从2mV·s^-1到100mV·s^-1的倍率提升到了60％左右，1000圈循环测试后电容保持率为89.3％。由此可见，碳材料与二氧化锰复合可有效地改善电极的倍率及循环性能。