[发明专利]一种锰氧化物纳米结构电极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种锰氧化物纳米结构电极材料及其制备方法与应用。所述方法为：1)将碳纤维氧化处理；2)将氧化后的碳纤维置于高锰酸钾溶液中高温水热反应得到电极片；3)将电极片置于醋酸锰溶液中浸泡，再高温水热反应，洗涤，干燥，即可得到锰氧化物纳米结构电极材料。本发明所制得的锰氧化物纳米结构电极材料具有比电容量大、循环性能优异和库伦效率高等特点，在电流密度为1A/g时的比电容量达1709F/g，在10A/g下充放电循环6000次后电容保持率达初始值的91.9％，库伦效率达100％。

技术领域

本发明属于超级电容器技术领域，具体涉及一种锰氧化物纳米结构电极材料及其制备方法与应用。

背景技术

能源和环境危机已经成为当今世界面临的两大难题，为了解决这一问题，科学家们不断寻找能够替代化石能源的可再生新能源，太阳能、风能、氢能等有关环保型能源便应运而生。进入新世纪以来，以电化学为基础的能源开发和利用得到了迅速发展，最具代表性的为可充电的锂离子电池的开发和应用，为后来的可移动电子设备的发展奠定了坚实基础，方便了人们生活。与此同时，另一种绿色环保型电化学储能装置超级电容器也得到了迅猛发展。由于其具有充电时间快、功率密度大、高度可逆的循环稳定性能以及价格低廉等特性，被认为是未来很有可能替代锂电池的候选装置。由于超级电容器主要以电荷吸附和电子可逆转移为主的双电层和赝电容为主要形式，因此其能量密度相比锂电池并不是很高。为了提升以能量密度为主的超级电容器电化学性能，大量的有关电极材料的研究相继展开，其中包括过渡金属氧化物、氟化物、氮化物以及硫化物，碳材料(以石墨烯为代表)，金属有机框架MOF，有机共价结构COF，MXene材料以及含锂的类电池材料等。过渡金属氧化物是除碳材料外研究较为广泛的电极材料，包含双电层、赝电容和混合型材料。最初以RuO₂为代表的赝电容类电极材料一度成为超级电容器电极材料的研究热潮，但由于RuO₂资源缺乏、价格昂贵和对环境有害等原因而逐渐被其他过渡金属氧化物所替代，其中最具代表性的为锰类氧化物。由于其价格低廉、绿色环保以及具有较高的理论电容，因此近年来相关研究非常普遍，如MnO₂，CNT/MnO₂，grapheme/MnO₂，MnMo₄·H₂O@MnO₂，Mn₃O₄，Mn₂O₃等。然而，由于锰氧化物的导电性能较差，与其他类电极材料复合易掉落，以及制备材料的比电容量相对较小等限制，一直以来都是科学研究和市场化应用的瓶颈和挑战。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种锰氧化物纳米结构电极材料的制备方法。首先，以碳纤维作为基底材料，在高温下进行碳基材的氧化，以提供致密且均匀的碳空隙和表面氧化官能团；再在高锰酸钾溶液中高温下进行水热生长二氧化锰纳米片；反应所得的电极片再作为基底材料于醋酸锰溶液中高温下进行水热反应生长出不同晶型的锰氧化物，最后经去离子水反复清洗、干燥后即可获得高性能锰氧化物纳米结构电极材料。

本发明的另一目的在于提供上述方法制得的一种锰氧化物纳米结构电极材料。

本发明的再一目的在于提供上述一种锰氧化物纳米结构电极材料在超级电容器中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种锰氧化物纳米结构电极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳纤维于200～600℃下氧化处理1～8h，得到氧化碳纤维；

(2)将氧化碳纤维加入到高锰酸钾溶液中，在140～190℃下水热反应2～8h，洗涤，干燥，得到电极片；

(3)将电极片在醋酸锰溶液中浸泡1～5天，使醋酸锰埋藏于电极片的锰氧化物纳米层；然后在150～210℃下水热反应1～10h，生长出不同晶型锰氧化物，洗涤，干燥，得到锰氧化物纳米结构电极材料。