[发明专利]MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料的制备及应用

说明书

本发明公开了MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料的制备及应用，制备方法为：1）取GS、乙酸锰，预处理；置于刚玉舟中，放入管式炉反应；2）取MnO/GSC‑0.7，放入等离子灰化仪中，在Ar和O₂气氛下处理；取MnO/GSC‑O‑8、硫脲，研磨，混匀，置于刚玉舟中，放入管式炉，在N₂、700~950℃下反应；以及N/S双掺杂孢子基碳微球，制备方法为：1）灵芝孢子粉的一步碳化；2）等离子体处理；3）杂原子掺杂，得到N/S双掺杂孢子基碳微球；本发明所制备的孢子基多孔中空碳微球具有形态规则、流动性好、力学性能好、孔/颗粒大小便于调节等优点；制备的高电化学性能的电极材料具有低成本、环境友好等优点。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料的制备及其在电极材料方面的应用。

背景技术

金属氧化物/碳纳米复合材料由于结合了双电层电容器和赝电容器的储能机制，具有更高的能量密度、功率密度以及循环稳定性，是目前超级电容器电极中极具发展前景的储能材料。

然而，复合材料中金属氧化物含量较低，且容易团聚，仍是实际应用中有待解决的核心问题。长白山灵芝孢子呈椭圆球形，具有由几丁质和葡聚糖所构成的双层细胞壁结构，外层壳体有天然形成的小孔，且内腔较大，通过一步碳化法可制备生物质碳。所制备的孢子基多孔中空碳微球具有形态规则、流动性好、力学性能好、孔/颗粒大小便于调节等优点，而且几丁质本身含有-NH，不仅可以作为氮源前体，还可以与Mn²⁺产生络合反应，以溶胶态附着于生物质中，在一步碳化的过程中生成具有良好赝电容性能的MnO。

碳纳米材料作为超级电容器最常用的电极材料，通过较大的比表面吸附电解质离子储能，然而其表面天然具有疏水性，导致有效比表面积非常有限，所以能量密度较低，不能满足实际应用的需要。通过杂原子掺杂法制备的N/S双掺杂碳材料具有良好的润湿性，可以提供与电解液间更大的有效接触面积，提高比电容。与传统的湿法处理相比，等离子体处理反应过程中所需要的时间很短，效率极高，且通常只作用于材料的表面，并不会破坏或改变其内部结构和化学性质。反应结束后一般也不需要对材料进行提纯和除杂等过程，不存在多余的浪费和回收处理，符合绿色、环境友好的需求，可以通过简便地调整等离子体参数，控制和优化碳材料的表面性能。

因此，从低成本、环境友好的角度，通过简单的一步法制备生物质碳与MnO的复合材料，并进行杂原子掺杂和等离子体处理，对制备高电化学性能的电极材料，并应用于高比电容、快速充放电、良好循环性能的超级电容器具有重要意义。

发明内容

本发明目的是为解决现有电池复合材料金属氧化物含量较低、容易团聚的问题，而提供一种MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料的制备及应用。

MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料，它是由下述方法制备的：

1）取0.5~2.5g GS、 30~150mL 0.5~1mol L^-1乙酸锰，在50~90℃下搅拌3~12h，混合均匀，过滤，在60~120℃下干燥6~18h；取出，置于刚玉舟中，放入管式炉，在N₂流率为120~300 mL min^-1、温度为700~950℃下反应1~4 h，反应过程中的升降温速率为1.5~12.5℃min^-1，获得的样品标记为MnO/GSC-0.7；