[发明专利]一种宽电位窗口δ-MnO2

说明书

本发明公开了一种宽电位窗口δ‑MnO₂电极材料及其制备方法和应用，将KMnO₄溶液、KF溶液均匀混合，调节pH至2~4，加入基底材料，于80℃~180℃下进行水热反应，反应结束后，冲洗，烘干得到δ‑MnO₂纳米片阵列。该方法制备的宽电位窗口δ‑MnO₂电极材料，层间的K部分被质子取代，增加了锰位点迁移的能垒，能够抑制原材料的OER活性和促进电化学性能点的提升，该方法的工业化成熟度高，是一条极具潜力的超级电容器用氧化锰电极材料的制备途径。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种宽电位窗口δ-MnO₂电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用。

背景技术

近年来，超级电容器(也称作电化学电容器)等新型储能装置备受国内外关注。超级电容器可以解决电动汽车在起步或者爬坡过程中高功率输出的需求，是电动汽车得以真正成为交通主体的关键所在。超级电容器的性能主要取决于其中电极材料特别是阴极材料的优良与否。目前为止，性能较好的阴极材料当属RuO₂体系，但是由于昂贵的成本不利于其大规模生产应用。过渡族金属氧化物MnO₂具有资源丰富、材料来源广泛、成本低廉、环保友好等优点，并且基于该材料制备的超级电容器器件具有较高的比电容，是最有潜力替代RuO₂构建高效廉价的超级电容器阴极材料之一。然而MnO₂等过渡金属氧化物电位窗口过窄，只有1.2v，严重限制了超级电容器能量密度的提高，从而导致其应用领域受到极大的限制。

为了拓宽MnO₂电位窗口，抑制电极材料的OER活性，传统方法大概归结为两种：一种通过嵌入更多阳离子，例如钠离子等，来改变MnO₂的晶体结构，增强MnO₂的电位窗口和循环稳定性(Hui Xia; High-Performance 2.6 V Aqueous Asymmetric Supercapacitorsbased on In Situ Formed Na_0.5MnO₂ Nanosheet Assembled Nanowall Arrays)；另一种通过合成石墨烯量子点（GQD）/MnO₂异质结来扩宽电位，GQD / MnO₂异质结构电极是通过在MnO₂纳米片阵列表面上原位形成GQDs而生成的，通过其内部Mn-O-C键具有良好的界面键合，并利用异质结构区域的内置电场将电势窗口扩展到1.3V(Henan jia;Heterostructural Graphene Quantum Dot/MnO₂ Nanosheets toward High-PotentialWindow Electrodes for High-Performance Supercapacitors)。然而，这些方法仅仅将电位窗口扩宽至1.3v，并没有进一步地提升，而且，这些方法复杂，不利于产业化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽电位窗口δ-MnO₂电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用，通过一步水热合成宽电位窗口δ-MnO₂纳米片阵列，提高整体电化学性能。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种宽电位窗口δ-MnO₂电极材料及其制备方法，包括以下步骤：

将KMnO₄溶液、KF溶液均匀混合，调节pH至2~4，加入基底材料，于80℃~180℃下进行水热反应，反应结束后，冲洗，烘干得到δ-MnO₂纳米片阵列。

优选地，用H₂SO₄或HCl或HNO₃调节pH至2~4。