[发明专利]一种二氧化锰复合生物质纳米碳片的电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种二氧化锰复合生物质纳米碳片的电极材料及制备方法。该方法是将泡发后的木耳水热处理后，获取纯净的液体，将该液体与硼酸混合后进行搅拌蒸发，再通过碳化、洗涤、干燥和研磨，得到干净的木耳纳米碳片；最后将该木耳纳米碳片分散于KMnO₄溶液中进行水热反应，待冷却、洗涤和干燥之后，得到所述电极材料。本发明用H₃BO₃作为活化剂，制备出纳米碳片，构建可调控且多孔片状结构均匀分布的生物模板，使MnO₂纳米纤维均匀生长在N掺杂碳片上。纳米纤维的引入提供了更大的比表面积，同时纳米纤维之间的间隙性结构也促进了电解液离子的传输，从而表现出良好的电容性能。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种二氧化锰复合生物质纳米碳片的电极材料及制备方法。

背景技术

随着人口数量的急剧增长，石油和煤炭等不可再生资源的不断损耗，导致能源危机加剧，生态环境污染严重等一系列问题日益凸显。为了整个人类社会的可持续发展，开发和利用低成本、绿色环保的新型可再生能源(风能、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能、氢能及水能)已经成为人们的必然选择。然而，这些可再生能源本身具有间歇性和分布不均匀性，它们需要通过能量存储装置来实现转化，因此急需开发高效、便携和清洁的能量存储设备至关重要。其中，超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能器件，相较于电池而言，其具有功率密度大、循环寿命长和充放电速度快的优势，超级电容器主要应用于智能电网，电动汽车，电子设备，风力发电机等领域。

生物质材料作为一种经济环保、价格低廉的材料之一，一般可通过简单的方式将其转化为大比表面积和高孔隙率的碳材料。但大多数活化方式涉及繁琐的步骤和严重的腐蚀，同时降低了生物质碳材料的产量，造成不必要的浪费和成本提高。生物质材料作为超级电容器电极材料时，存在着较低的电容性能和较差的循环稳定性等缺点，限制了其实际应用。锰氧化物由于具有多种氧化态，高比电容，成本低廉和资源丰富等优点而引起广泛研究。其中，MnO₂被认为是最有前途的超级电容器装置的电极材料之一。然而，其低电导率和低循环稳定性也限制了MnO₂的应用。为了缓解这一问题，通常将生物质材料与锰氧化物结合起来。目前尚无将二氧化锰复合生物质纳米碳片用于超级电容器的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超级电容器的二氧化锰复合生物质纳米碳片的电极材料及制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：用于超级电容器的二氧化锰复合生物质纳米碳片的电极材料及其制备方法，将泡发后的木耳进行水热处理后，获取纯净的液体，然后将该液体与硼酸混合后进行搅拌蒸发，再通过碳化、洗涤、干燥和研磨，得到干净的木耳纳米碳片；最后，将该木耳纳米碳片分散于KMnO₄溶液中进行水热反应，待冷却、洗涤和干燥之后，得到所述电极材料。

较佳的，泡发后的木耳与硼酸的质量比为1～5：10～20。

较佳的，将泡发后的木耳于120℃下水热处理12h，所得反应产物剧烈搅拌1h，通过离心获取纯净的液体。

较佳的，升温至500～800℃在氮气气氛中恒温碳化2～4h，升温速率为1～5℃min^-1；若碳化温度低于500℃，木耳碳片将碳化不彻底、杂质含量高且片状结构也不明显；若碳化温度高于800℃，木耳纳米碳片结构会遭到严重破坏，同时也降低了木耳纳米碳片的产量，且其电化学性能也会受到影响。

较佳的，高锰酸钾与木耳碳纳米片的质量比为0.5～2：1，优选1：1，当高锰酸钾过少时，木耳纳米碳片上二氧化锰纤维较为稀少，不利于材料的储能；当高锰酸钾过多时，二氧化锰纤维团聚严重且木耳碳片片层结构也不明显，会造成材料结构的均一性较差和电化学性能的不稳定。

较佳的，水热反应温度为100～150℃，水热反应时间为1～5h。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：