自支撑石墨烯-氧化锰复合电极材料及其制备方法技术

一种自支撑石墨烯-氧化锰复合电极材料，它是一种由通过电解石墨纸获得以石墨纸为基底的自支撑石墨烯和在石墨烯表面微波镀覆的氧化锰组成的复合电极材料。该复合电极材料的制备方法主要是以石墨纸为原料，采用直流电源将其原位电解，在石墨纸上获得了自支撑的石墨烯，然后在自支撑石墨烯表面微波镀覆一层二氧化锰。本发明专利技术制备工艺简单，化学性质稳定，成本低廉，安全性高，能有效减少石墨烯的聚合，增大有效表面积。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种自支撑石墨烯-氧化锰复合电极材料，它是一种由通过电解石墨纸获得以石墨纸为基底的自支撑石墨烯和在石墨烯表面微波镀覆的氧化锰组成的复合电极材料。该复合电极材料的制备方法主要是以石墨纸为原料，采用直流电源将其原位电解，在石墨纸上获得了自支撑的石墨烯，然后在自支撑石墨烯表面微波镀覆一层二氧化锰。本专利技术制备工艺简单，化学性质稳定，成本低廉，安全性高，能有效减少石墨烯的聚合，增大有效表面积。【专利说明】
本专利技术涉及一种电极材料及其制备方法。
技术介绍
超级电容器又称电化学电容器，是一种能量存储和转化装置。由于其具有高的功率密度，长的循环寿命，对环境友好等特点受到全世界的关注。对超级电容器的研究主要是超级电容器电极材料的合成与制备。自从石墨烯被发现以来，一些研究者开始以石墨烯为原料制备超级电容器。石墨烯是一种二维蜂窝状的导电晶体，是继富勒烯之后发现的碳家族的又一新成员，由于拥有大的表面积和高的导电率而受到研究者的青睐。然而，由于范德华力和J1-Ji键的影响，石墨烯像其它纳米级粒子一样，在实际应用中会产生聚合，从而减小了有效表面积，这对电容的完全体现是极为不利的。于是，研究者力图采取措施来减少这种团聚。同时，纯石墨烯双电层电容值过小使其在实际应用中受到限制，而将石墨烯与能产生赝电容的氧化锰复合制备电极成为减少石墨烯团聚和增大电容的一种有效方法。获得石墨烯-二氧化锰复合材料可以先制备氧化石墨烯-二氧化锰复合材料，然后再通过还原剂(如水合肼)将氧化石墨烯还原为石墨烯，最终获得石墨烯-二氧化锰复合材料(CN102468057A)。但其制备过程较为费时费力，最后需要还原步骤，同时还原剂水合肼有一定的毒性，操作时需小心谨慎。另外电极制备过程有时需加入导电剂、粘结剂，难以保证有效物质的纯净性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备工艺简单，化学性质稳定，成本低廉，安全性高，能有效减少石墨烯团聚并且所得的电极材料导电性能良好的。本专利技术的自支撑石墨烯-氧化锰复合电极材料是一种由通过电解石墨纸获得以石墨纸为基底的自支撑石墨烯和在石墨烯表面微波镀覆的氧化锰组成的复合电极材料。本专利技术的自支撑石墨烯-氧化锰复合电极材料的制备方法如下:1、石墨纸的电解:(I)将石墨纸剪裁成边长大于Icm的矩形或正方形，剪裁成的石墨纸边缘要整齐，石墨纸的两面用环氧树脂封装，仅在其中一面留I X Icm的正方形作为电解部位。(2)在容器中加入电解液，所述的电解液是H2SO4, HCl, Na2SO4, KOH, NH3.H2O等各种强弱电解质溶液，PH值为0.5?12。(3)电解装置为直流电源，取两个封装过的石墨纸分别连接电源正极和负极，将两片石墨纸的正方形电解部位完全浸于电解液的液面以下，同时保持电解部分的平行正对，电极间距为0.5?2cm ;开始电解时，缓慢调节电压到I?20V，电解时间为0.5?120min，之后取出阳极的石墨纸，并用蒸馏水冲洗电解部位直至PH值为7，此时可以在电解部位看到翻起的石墨烯。(4)将上述冲洗后的石墨纸在真空干燥箱中烘干。2、微波镀覆氧化锰:(I)将上述烘干的石墨纸电解部位浸于装有浓度为0.001?0.09moI/LKMnO4溶液的容器中，露出液面的封装部分用夹子固定在容器壁上，然后放在微波炉中进行微波操作。(2)每次微波时间为20s?lOmin，微波结束后取出容器放于冷水中静置至室温，然后进行下次微波，共微波I?10次。(3)微波完成后，取出石墨纸，用蒸馏水冲洗微波部位直至看到冲洗后的蒸馏水颜色为无色。(4)将上述冲洗后的石墨纸在真空干燥箱中烘干。本专利技术与现有技术相比，有显著的优点:(I)本专利技术方法操作简单，化学性质稳定，成本低廉，安全性高。(2)本专利技术获得的自支撑石墨烯不易团聚，且与基底石墨纸结合牢固；(3)采用微波法将氧化锰镀覆到自支撑石墨烯表面，增大了复合材料的电容，提高了氧化锰的利用率。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术实施例1获得自支撑石墨烯的场发射扫描电镜图。图2是本专利技术实施例1获得自支撑石墨烯并微波镀覆氧化锰制备的复合电极的场发射扫描电镜图。图3是本专利技术实施例1获得自支撑石墨烯并微波镀覆氧化锰制备的复合电极的循环伏安测试图。【具体实施方式】实施例1(I)石墨纸的电解将石墨纸用锋利的剪刀剪裁成面积为2X2cm的矩形片，剪裁成的石墨纸边缘要整齐，石墨纸的两面用环氧树脂封装，仅在其中一面留IXlcm的正方形作为电解部位。在烧杯中加入20mL pH值为2的H2SO4溶液，电解装置为直流电源，取两片经剪裁封装过的石墨纸分别连接电源正极和负极，将两片石墨纸的正方形电解部位完全浸于H2SO4溶液的液面下，同时保持电解部位平行正对，电极间距为1cm。开始电解时，缓慢调节电压到8.0V,电解时间为lOmin，之后取出阳极的石墨纸，并用蒸馏水冲洗电解部位直至pH为7，此时可以在电解部位看到翻起的石墨烯。将上述冲洗后的石墨纸在真空干燥箱中70°C下30min烘干。电解后材料的微观形貌由扫描电镜(SEM)来表征，结果如图1所示，可看出在电解的条件下纸状褶皱的石墨烯，即自支撑状石墨烯的微观形貌。2、微波镀覆氧化锰取50mL规格的烧杯，配置浓度为0.03mol/L的KMnO4溶液25mL，将上述石墨纸的正方形电解部位浸于KMnO4溶液液面下，露出液面的封装部分用夹子固定在烧杯壁上，然后将烧杯放于微波炉中微波。微波时间为每次lmin，微波结束后取出烧杯放于冷水中静置至室温，然后进行下次微波，共微波5次。微波完成后，取出石墨纸，用蒸馏水冲洗电解部位直至看到冲洗后的蒸馏水颜色为无色。最后在真空干燥箱中70°C下干燥3h烘干。微波后获得的复合电极材料形貌用扫描电镜(SEM)来表征，结果如图2所示，在自支撑的石墨烯表层仿形生长了一层氧化锰，石墨烯和氧化锰紧密地结合在一起，形成自支撑石墨烯-氧化锰复合电极材料。将微波后的复合材料用三电极体系进行循环伏安测试，以饱和甘汞电极为参比电极，钼片为对电极，微波镀覆氧化锰的石墨纸为工作电极，0.5mol/L的Na2SO4溶液作底液。图3为经过上述条微波镀覆氧化锰后的石墨烯循环伏安图，扫描速度分别为100、50、20、10、5、2mV/s，经过计算获得的最大面积比电容为250mF/cm2，基于氧化锰的最大质量比电容为 516.7F/g。实施例2(I)石墨纸的电解将石墨纸用锋利的剪刀剪裁成2X2cm的正方形样品，剪裁成的石墨纸边缘要整齐，石墨纸的两面用环氧树脂封装，仅在其中一面留I X Icrn的正方形作为电解部位。在烧杯中加入30mL pH值为I的H2SO4溶液，电解装置为直流电源，取两片经剪裁封装过的石墨纸分别连接电源正极和负极，将两片石墨纸的正方形电解部位完全浸于H2SO4溶液的液面下，同时保持电解部位平行正对，电极间距为1cm。开始电解时，缓慢调节电压到1.0V,电解时间为120min，之后取出阳极的石墨纸，并用蒸馏水冲洗电解部位直至pH为7，此时可以在电解部位看到翻起的石墨烯。将上述冲洗后的石墨纸在真空干燥箱中80°C下30min烘干。( 2 )微波镀覆氧化锰取50mL规格的烧杯，配置浓度为0.03mol/L的KMnO4溶液25mL，将上述石墨纸的正方形电解部位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自支撑石墨烯‑氧化锰复合电极材料，其特征在于：它是一种由通过电解石墨纸获得以石墨纸为基底的自支撑石墨烯和在石墨烯表面微波镀覆的氧化锰组成的复合电极材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳辉，辛国祥，藏建兵，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13