[发明专利]一种具有多级结构的碳气凝胶/二氧化锰复合电极材料及其制备方法

摘要

本发明属于储能材料技术领域，具体为一种具有多级结构的碳气凝胶/二氧化锰复合电极材料及其制备方法。本发明的复合材料以高锰酸钾为前驱体，在由一维碳纳米纤维和二维片状碳构成的具有三维网络结构的碳气凝胶表面原位氧化还原生长二氧化锰纳米片得到；其制备过程包括：静电纺丝、冷冻干燥、热亚胺化、高温碳化和原位氧化还原反应等。所制得的材料充分利用了碳气凝胶高比表面积、高孔隙率的特点，使复合材料拥有更多的化学反应位点和电解液的传导路径，大大改善了二氧化锰赝电容材料自身导电性差、比表面积小的限制，使电化学性能得到了大幅度提升。本发明所制备的具有多级结构的碳气凝胶/二氧化锰复合电极材料可作为理想的储能材料被用于超级电容器等领域。

主权项

1.一种具有多级结构的碳气凝胶/二氧化锰复合电极材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1）在机械搅拌下，配制聚丙烯腈PAN纺丝液，并采用静电纺丝技术制备聚丙烯腈纳米纤维膜；（2）通过程序升温，对步骤（1）制备的聚丙烯腈纳米纤维膜进行预氧化，获得表面有含氧基团的氧化聚丙烯腈纳米纤维膜，并在高速搅拌下将其在水中进行均匀分散，得到氧化聚丙烯腈纳米纤维膜的分散液；所述程序升温速率为1~2℃/min，升至平台温度230~280℃后保持1.5‑2.5 h；（3）将水溶性聚酰胺酸高分子溶解在去离子水中，高速搅拌得到聚酰胺酸溶液；搅拌速度为15000~21000 r/min，搅拌时间为20~40 min；（4）将步骤（2）和步骤（3）的溶液搅拌、混合，得到均匀分散的氧化聚丙烯腈纳米纤维膜/聚酰胺酸的共混分散液，并将其冷冻干燥，得到氧化聚丙烯腈纳米纤维膜/聚酰胺酸气凝胶；所述的共混分散液总固含量为2.5‑3.5%，且聚酰胺酸的质量分数为30‑40%；（5）将步骤（4）得到的氧化聚丙烯腈纳米纤维膜/聚酰胺酸气凝胶在氮气保护下，进行热亚胺化和碳化两个步骤，得到具有多级结构的氧化聚丙烯腈纳米纤维膜/聚酰亚胺基碳气凝胶；所述的热亚胺化过程的具体参数如下：以1.5‑2.5℃/min的升温速率从室温升至300 ℃，并分别在100 ℃、200 ℃、300 ℃ 依次保持0.5 h、0.5 h、1 h，然后自然降至室温；所述的碳化过程的具体参数如下：以4‑6℃/min的升温速率从室温升至780‑820℃然后自然降至室温；（6）将步骤（5）得到的碳气凝胶浸没在高锰酸钾溶液中，通过原位氧化还原反应将二氧化锰纳米片生长到碳气凝胶表面，得到具有多级结构的碳气凝胶/二氧化锰复合电极材料；所述的具有多级结构的碳气凝胶与高锰酸钾的质量比为1:（4‑6），反应在75‑85℃油浴下进行0.5~4h。