[发明专利]一种多形貌Fe-Mn复合碳纳米纤维及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种多形貌Fe‑Mn复合碳纳米纤维及其制备和应用，所述碳纳米纤维负载包括Fe₃O₄和Mn₃O₄，其中Fe₃O₄分布在纤维内部，Mn₃O₄生长在纤维表面，通过Fe含量调控复合碳纳米纤维的形貌为套管状或鲕粒状结构。本发明采用静电纺丝技术及MnO_x自限生长方法得到Fe‑Mn复合碳纳米纤维。本发明制得的产品制作方便，成本低，稳定性好，而且MnO_x在Fe‑C纳米纤维表面生长结构可调，该材料用于超级电容器电极导电性高，比电容性能优异。

技术领域

本发明属于电极材料及其制备和应用领域，特别涉及一种多形貌Fe-Mn复合碳纳米纤维及其制备和应用。

背景技术

由于化石燃料消耗和生长过程中环境污染日益严重，开发清洁、高效和可替代的能源迫在眉睫。超级电容器作为一种不可缺少的储能元件，由于其功率/能量密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点，可以弥补传统介电电容与可充电电池之间的差距。众所周知，许多过渡金属氧化物具有赝电容特性，即通过在电极表面发生可逆法拉第氧化还原反应而储存电荷。

锰氧化物因其比电容高，成本相对较低，环境友好，自然资源丰富和耐蚀性等优点被认为是超级电容器应用中最有前途的电极材料之一。然而由于氧化锰导电性较差，结构稳定性和长期可循环性能较弱，从而导致有效容量较低，限制了氧化锰的超级电容器储能的进一步发展。

锰氧化物的性能很大程度上受其形貌、结构影响，尤其是不同形态锰氧化物的结构和形貌差异对其性能的影响，研究发现多价态的锰具有良好的氧化还原性，对电子传输有促进作用。因此对锰氧化物电极材料的研究，应着重于改善氧化锰的结构性能，为氧化锰的生长提供合适的基底以制备高性能的结构可调的锰氧化物复合电极材料，进而用于超级电容器的储能。

在过渡金属氧化物中，Fe₃O₄作为另一种理想的电容材料，具有较高的理论存储容量，已经成为超级电容器的常用电极材料。

负载锰氧化物等的碳纳米纤维多有报道，但由于高锰酸钾与碳发生的自限反应通常快速且剧烈，会导致锰氧化物的过量负载。[Flexible ultra-thin Fe₃O₄/MnO₂core-shell decorated CNT composite with enhanced electromagnetic wave absorptionperformance,Composites Part B,144(2018)111–117.]。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多形貌Fe-Mn复合碳纳米纤维及其制备和应用，克服了现有技术中MnO负载量过大的缺陷，该发明提供了一种通过调控Fe含量，构建结构可调的高电化学活性的多形貌Fe-Mn复合碳纳米纤维电极材料，为了提高复合碳纳米纤维的导电性，在电纺前驱液中引入一定的铁，不仅增大了碳纳米纤维的比表面积，而且其电子导电性得到了显著提高，促进了电极内的电子传输，离子的扩散传输和离子的嵌入嵌出过程，提高了材料的赝电容性能。

本发明的一种多形貌Fe-Mn复合碳纳米纤维，所述碳纳米纤维负载包括Fe₃O₄和Mn₃O₄(Fe₃O₄和Mn₃O₄是纳米材料)，其中Fe₃O₄主要分布在纤维内部，Mn₃O₄主要生长在纤维表面，通过Fe含量调控复合碳纳米纤维的形貌为套管状或鲕粒状结构。