[发明专利]一种三维堆叠氧化锰电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用

说明书

本发明涉及一种三维堆叠氧化锰电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用。本发明首先通过表面活化的方法提高碳布基底的容量，然后通过循环伏安电沉积技术在碳布的表面原位合成超高负载量的三维堆叠氧化锰纳米线，通过对沉积圈数的调控，提高电极材料的比电容。本发明的优势是操作简单，制备时间短，在处理过的碳布上可得到均匀分布的超高负载量的三维结构氧化锰电极材料，具有良好的储能性能。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种三维堆叠氧化锰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

近几年来，随着不可再生燃料的逐渐枯竭，发展高效可靠的电化学储能系统变得越来越重要。超级电容器作为一种新型的电化学储能设备，因其高功率密度与长循环寿命等优势，展现出取代不可再生能源的巨大潜力。然而超级电容器的缺点是能量密度较低，为提高超级电容器的能量密度，研究人员采用具有法拉第赝电容的过渡金属氧化物作为电极材料，以提高超级电容器的能量密度。过渡金属氧化物因其高理论电容、较高的自然储量及低成本，成为了炙手可热的超级电容器电极材料。

氧化锰(MnO_x)作为一种典型的低成本的电极材料，具有电位窗口宽(约为1V)、原料来源丰富、对环境友好等特点，并且三维纳米结构的MnO_x以其价廉易得、低毒环保、适用于温和的水性电解质、具有较大的比表面积及较高的赝电容等特点显示出了其作为电极材料的优势。然而，目前报道的氧化锰电极材料虽然具有较高的比电容，但其电极材料的负载量普遍低于2mg/cm²，如此低的负载量导致其存储的能量有限，限制了氧化锰材料的实际应用，因此，通过灵活可控的电化学技术，合成出具有超高负载量的氧化锰电极材料具有重要的科学意义。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供了一种三维堆叠氧化锰电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用。

本发明采用的技术方案为：

一种三维堆叠氧化锰电极材料，其制备方法包括如下步骤：

1)将碳布用无水乙醇冲洗，然后放入去离子水中超声清洗5min，之后置于真空干燥箱中干燥；

2)在三电极体系中，以经步骤1)处理后的碳布为工作电极，碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在1M KNO₃电解液中采用恒电位法将碳布活化，活化后的碳布用去离子水清洗；

3)在三电极体系中，以经步骤2)处理后的碳布为工作电极，碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在3M KCl电解液中采用循环伏安法恢复碳布导电性，将恢复导电性的碳布用去离子水浸泡3min，然后放入真空干燥箱中干燥；

4)在三电极体系中，以经步骤3)处理后的碳布为工作电极，碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，以醋酸锰和乙酸铵的混合溶液为电解液，采用循环伏安法对碳布进行氧化锰的电沉积，在0～1V的电位范围内，以10～50mV s^-1的扫速进行循环伏安扫描，扫描圈数为10～50圈，得到沉有锰氧化合物的碳布；

5)将步骤4)得到的沉有锰氧化合物的碳布在去离子水中浸泡3min，然后放入真空干燥箱中干燥，得到三维堆叠氧化锰电极材料。

进一步的，上述的一种三维堆叠氧化锰电极材料，步骤2)中，所述恒电位法的条件：电位为1.8V，反应时间为30min。

进一步的，上述的一种三维堆叠氧化锰电极材料，步骤3)中，所述循环伏安法的条件：电位为-1.2～1V，扫速为100mV s^-1，扫描圈数为30～50圈。

进一步的，上述的一种三维堆叠氧化锰电极材料，步骤4)中，所述醋酸锰和乙酸铵的混合溶液，按摩尔比，醋酸锰:乙酸铵＝1:2。