[发明专利]一种三维多孔碳-氧化锰核壳结构材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三维多孔碳‑氧化锰核壳结构材料及其制备方法，其是以树皮为原料制得的三维蜂窝状多孔碳为骨架，在其表面生长MnO₂纳米结构，而制成核壳结构的C@MnO₂。本发明三维多孔碳‑氧化锰核壳结构材料借助碳骨架的高导电和大的比表面，提高了MnO₂材料整体的电导率和电化学活性，又充分发挥了核壳结构的协同效应，从而具有导电率高、比电容大和循环稳定性好的优点，可用作超级电容器电极材料。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，具体涉及一种三维多孔碳-氧化锰核壳结构材料及其制备方法，该材料可应用于能量存储和能量转换领域。

背景技术

超级电容器作为一种新颖的电化学储能器件，具有高功率密度、快速充放电能力及优异的循环稳定性，在柔性可穿戴电子、新能源汽车等领域具有较大的应用前景。其中，过渡金属氧化物，如纳米结构的MnO₂，由于其来源广泛、制备成本低廉且稳定性好、容量高（理论容量达1370F/g）等特点，在储能方面的应用受到了研究者的广泛关注。但将MnO₂作为超级电容器电极材料时，MnO₂的低电导率(10^-5-10^-6 S/cm, Jian-Gan Wang etal.,Progress in Materials Science 74 (2015) 51-124)影响了超级电容器的化学性能，且其还存在离子传输速率低、比电容小、循环稳定性差等缺点。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种三维多孔碳-氧化锰核壳结构材料及其制备方法，其采用高导电、比表面大、多孔的三维多孔碳做骨架，在其上沉积形貌和厚度可控的氧化锰纳米结构，以结合二者优势并充分发挥其协同的效应，获得高的比电容和稳定好的碳-氧化锰电极材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三维多孔碳-氧化锰核壳结构材料，其是以软木树皮为原料制得的三维蜂窝状多孔碳为骨架，在其表面生长MnO₂纳米结构，而制成核壳结构的C@MnO₂；其比表面积为410~780 m²/g。

所述三维多孔碳-氧化锰核壳结构材料的制备方法包括以下步骤：

1）三维蜂窝状多孔碳骨架的制备：将清洗干净的软木树皮切割成长10mm×宽10mm×高3mm的方形体，60℃干燥后将其在0.5~1mol/L的氢氧化钾溶液中浸泡3~8 h，随后取出，置于真空箱体中60℃干燥24 h；将处理后的软木树皮放入带盖的陶瓷舟内，随后将陶瓷舟置于高温水平管式炉中，待管式炉中真空度达0.1Pa时，按300 mL/min通入高纯Ar气（纯度达99.999%），开启加热电源，使加热速率控制在1℃/min，将炉温加热到800~1100 ℃，保温1~2 h，随后在Ar气保护下随炉冷却至室温，获得具有规则排列的三维蜂窝状多孔碳骨架。

2）核壳结构C@MnO₂的制备：配制浓度为0.02~0.06mol/L的高锰酸钾溶液，随后将其与制备得到的三维蜂窝状多孔碳骨架一起置于反应釜的聚四氟乙烯内胆中，接着将反应釜置于干燥箱中，加热至130~200 ℃，保温2~6h，从而使MnO₂纳米结构生长在碳骨架表面，再随炉冷却后取出，获得核壳结构C@MnO₂，其中，氧化锰的负载量为0.0018~0.0024 g。

表1 与报道的含有氧化锰电极材料电容特性比较

本发明制作的三维多孔的C@MnO₂核壳材料具有如下优点：

（1）本发明以低成本、绿色环保的树皮为原料，通过高温加热分解形成蜂窝状多孔结构的碳骨架阵列，其孔洞密集、比表面积大，可使电解质的运输距离更短，电解液的工作效率更高，机械稳定性更好。