[发明专利]一种制备碳/纳米二氧化锰复合电极材料的方法

说明书

本发明涉及一种制备碳/纳米二氧化锰复合电极材料的方法，将碳材料覆盖的电极或碳电极浸泡在10～40℃下的高锰酸钾水溶液中，然后采用紫外光照射高锰酸钾水溶液，使得在碳材料表面原位生长纳米二氧化锰，得到所述碳/纳米二氧化锰复合电极材料。

技术领域

本发明涉及一种快速制备碳/纳米二氧化锰复合电极材料的方法，具体涉及一种室温下快速制备碳/纳米二氧化锰复合电极材料的方法，属于功能材料制备技术领域。

背景技术

随着经济社会的高速发展和人口密度的快速增长，世界能源危机问题愈演愈烈。不论是传统能源还是新型可再生能源，有效的能量存储对于能源安全、稳定和持续的供应十分重要。超级电容器是一种主要依靠双电层和法拉第电容存储能量的装置。相比于传统电源，超级电容器的功率密度高、充放电时间短、循环寿命长，相关材料研究与开发工作受到了人们广泛关注。

二氧化锰是一种廉价易得、环境友好的过渡金属氧化物材料。纳米结构的二氧化锰具有比表面积大、氧化还原活性位点多以及层间阳离子可交换等特点，在超级电容器、电池等能量存储系统中具有较好的应用前景。但二氧化锰的导电性能较差(10^-5～10^-6S/cm)，限制了离子和电子在二氧化锰电极中的转移速率，使得实际应用当中的二氧化锰比电容值远低于理论值(1370F/g)。碳纳米管、石墨烯等碳质材料电容虽然低于二氧化锰等具有法拉第电容特性的金属氧化物材料，但这类碳材料具有优异的导电性能。为提高纳米二氧化锰电极材料的电化学性能，研究者通常将二氧化锰修饰在导电材料如含碳材料表面，发挥两者的协同作用，以降低界面电荷转移电阻，提高能量存储效率。

现有碳/二氧化锰复合材料的制备常需通过电化学沉积、水热等方式得到，制备过程复杂或合成温度较高，条件相对苛刻，能耗较大，在一定程度上限制了其广泛应用。所以，我们提出了一种室温下可在碳材料表面快速原位生长纳米二氧化锰的方法。室温下反应2h快速得到的碳/纳米二氧化锰复合电极材料，比电容达到277g/F，优于一般需高温且耗时的水热反应制备的碳/纳米二氧化锰复合电极材料的比电容(J.Mater.Chem.,2012,22,8634)，可用于超级电容器的基础研究与技术开发。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种快速制备碳/纳米二氧化锰复合电极材料的方法，将碳材料覆盖的电极或碳电极浸泡在10～40℃下的高锰酸钾水溶液中，然后采用紫外光照射高锰酸钾水溶液，使得在碳材料表面原位生长纳米二氧化锰，得到所述碳/纳米二氧化锰复合电极材料。

在本公开中，将碳材料覆盖的电极或碳电极浸泡于高锰酸钾水溶液中，同时采用紫外光(波长0.01～0.40微米)对所述高锰酸钾水溶液进行照射。紫外光电子能降低高锰酸钾反应所需活化能，促进高锰酸钾与碳材料发生氧化还原反应，从而使得可在10～40℃下，便能在碳材料表面原位生长纳米二氧化锰，得到所述碳/纳米二氧化锰复合电极材料。

较佳地，所述碳材料或碳电极的材料选自无定形碳、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯中的至少一种；优选地，所述碳材料覆盖在基体表面；更优选地，所述基体为金属电极材料。

较佳地，所述高锰酸钾水溶液的浓度为0.001～0.1mol/L。过低浓度的高锰酸钾会限制二氧化锰的快速生长。过高浓度的高锰酸钾水溶液的原料利用率较低。

又，较佳地，所述高锰酸钾水溶液的体积为10～100mL。

较佳地，所述高锰酸钾水溶液的温度为20～40℃；优选地，所述高锰酸钾水溶液的温度为室温约25℃。

较佳地，所述紫外光的照射功率为不超过100W，照射时间为不超过24小时；优选地，所述紫外光的照射功率为10～100W，照射时间为1～24小时。在一定功率的光照下，二氧化锰能在碳材料表面快速生成。增加紫外光照时间利于二氧化锰的生长，但其生长效率随光照时间延长而逐步降低。