本发明专利技术提供了一种用于超级电容器电极材料的二氧化锰/碳微球(MnO2/CMSs)复合材料，属于复合材料技术领域。本发明专利技术以葡萄糖为起始原料，先通过水热法制得纳米碳微球，再通过原位自组装法使碳微球与二氧化锰复合而得。电化学性能测试表明，本发明专利技术制备的MnO2/CMSs复合材料，不仅能够实现两者性能的协同效应，而且具有单一电极不具备的优良性能，显示出较高的电化学电容行为、优良的倍容率，以及较好的循环稳定性，因此可以作为超级电容器电极材料。另外，本发明专利技术复合材料的制备过程简单、工艺稳定、易于操作、质量可靠、成本低廉，作为超级电容器电极材料符合商业化的基本要求。
【技术实现步骤摘要】
二氧化锰/碳微球复合材料的制备及其作为超级电容器电极材料的应用
本专利技术涉及一种二氧化锰/碳微球复合材料的制备，尤其涉及一种二氧化锰/碳微球(Mn02/CMSs)复合材料的制备；本专利技术同时还涉及该二氧化锰/碳微球(Mn02/CMSs)复合材料作为超级电容器电极材料应用，属于复合材料领域及电化学材料领域。
技术介绍
超级电容器是一种新型的能量储存/转化装置，其能量密度高(lOkw/kg)、充放时间短、循环寿命长和无污染等优点广泛应用于便携式电子产品，混合动力电动汽车和大型工业设备等。而电极材料的选择是影响超级电容器的主要原因，主要包括金属氧化物，导电聚合物和碳基材料。 MnO2由于其丰富、价廉、环境友好、活泼的氧化还原活性以及高的理论比电容(1232 F.g4)而受到了众多的关注。MnO2不但无需在强酸或强碱性电解液中而在中性电解液中就能很好地运行，而且还能够展现出快速的充放电能力和类似于非法拉第能量存储行为，这与水合RuO2的电荷存储机理相似。因此，在超级电容器的应用中MnO2被认为最有前景的一种RuO2的替代物。然而MnO2低的比电容和差的循环稳定性使得其在实际应用中受到了很大的限制，这主要归因于其差的导电性以及在反复循环过程中晶体的膨胀/收缩而造成的剥落，为了弥补这些不足之处，导电碳材料碳微球可以用作支撑材料与MnO2形成复合物。而单纯的MnO2导电性差，电化学利用率低，从而限制其在超期电容器中应用。 碳微球是典型的2D碳材料，它具有良好的导电性、大的比表面积、化学性质稳定、机械强度大、振实密度高以及可加工性，可以作为生长活性纳米材料的载体而广泛应用于制备高性能的复合材料。将MnO2与碳微球进行复合期望得到性能更优的复合材料。 制备二氧化锰/碳微球(Mn02/CMSs)复合材料作为超级电容器电极材料，得到了具有单一电极不具备的优良性能，应用前景广泛。
技术实现思路
本专利技术的目的是结合MnO2与碳微球CMSs的特性，提供一种二氧化锰/碳微球(Mn02/CMSs)复合材料。 本专利技术的目的还在于提供一种二氧化锰/碳微球(Mn02/CMSs)复合材料的制备方法。 本专利技术的更重要目的在于提供一种二氧化锰/碳微球(Mn02/CMSs)复合材料作为超级电容器电极材料的应用。 —、二氧化猛/碳微球(Mn02/CMSs)复合材料的制备本专利技术二氧化锰/碳微球复合材料的制备，是以葡萄糖为起始原料，先通过水热法制得纳米碳微球，再通过原位自组装使碳微球与二氧化锰复合而得。具体制备工艺如下:(O纳米碳微球的制备:将葡萄糖粉充分溶于去离子水中，于16(T200°C下水热反应12?24h;冷却到室温后，抽滤，产物用无水乙醇和去离子水洗涤，烘干，即得纳米碳微球(CMSs)；(2)二氧化锰/碳微球复合材料的制备:将纳米碳微球和KMnO4于去离子水中混合均匀，加入浓硫酸使反应体系的pH=f 2 ;然后在油浴下加热至75、0°C，回流0.5^1.5h ;待反应体系冷却到室温后，抽滤，产物用无水乙醇和去离子水洗涤，烘干，即得二氧化锰/碳微球复合材料(Mn02/CMSs)。其中碳微球和KMnO4的质量比控制在1:8?1:9。 二、二氧化锰/碳微球复合材料的制备的结构表征下面通过场发射扫描电镜(FE-SEM)、热分析仪(TG)、红外谱图(FTIR)及X射线衍射(XRD)对本专利技术制备的二氧化锰(MnO2)纳米棒材料的结构进行详细说明。 1、扫描电镜(SEM)分析图1(a)为本专利技术制备的碳微球CMSs材料的场发射扫描电镜(SEM)图片。由图a可以见，大规模均一单分散的炭微球(CMSs)的尺寸约为700nm左右，该材料具有大比表面积的和良好的导电性和强的机械性能。图1(b)、(c)和(d)分别为本专利技术制备的Mn02/CMSs复合材料不同放大倍数下的场发射扫描电镜图(SEM)。由图1可以见，MnO2均匀的包覆在炭微球上，形成纳米花形貌。MnO2均匀的负载于CMSs上，CMSs提供了很好的导电基底，更有利于MnO2赝电容的彰显。复合材料这一独特的结构不仅能够在MnO2表面提供充足的电化学活性位点，而且还能大大增加有效的液固接触面积，给电解液离子的嵌入/脱出提供了快速路径，进而促使法拉第反应的进行，而且更有利于MnO2产生更高赝电容。 2、X衍射谱图(XRD )分析图2为纯CMSs、Mn02和Mn02/CMSs复合材料的X衍射谱图(XRD)。纯CMSs在22°处有一个宽化衍射峰，是炭微球的特征峰。Mn02/CMSs复合物衍射峰出峰位置，分别对应于MnO2的出峰位置，只是强度减弱。CMSs的特征峰在Mn02/CMSs的XRD谱图中的强度很弱，但是还是能够与其它衍射峰区分开来。从图2中可以看出，CMSs和MnO2进行了很好的复合。 3、红外光谱图(FT-1R)分析图3为本专利技术制备的Mn02/CMSs复合材料的红外光谱图(FT-1R)。从图3可以看出，CMSs有较强的特征吸收峰，对于Mn02/CMSs复合材料的红外光谱图，吸收峰的出峰位置和纯的MnO2、CMSs出峰位置一致，从而证明MnO2和CMSs进行了很好的复合。 4、热重分析图4为本专利技术制备的Mn02/CMSs复合材料的热重分析仪图(TG)。从图4可知，在100°C附近，TG曲线上出现了轻微的质量损失，这是由样品失去表面物理吸附水造成的。复合物样品在350°C后有明显的失重现象，这是由复合物中CMSs的分解所致。在500°C之后，TG曲线基本趋于稳定，说明CMSs已完全分解。经估算得出，复合物中MnO2和CMSs的质量比约为 3:1?2:1。 5、吸-脱附等温线分析图5为本专利技术制备的Mn02/CMSs复合材料的吸-脱附等温线。复合物Mn02/CMSs的曲线中都有较为明显的滞后环，表明复合材料是介孔材料。BET测试结果显示复合物Mn02/CMSs的比表面积是71.2m2/g。 图6为本专利技术制备的Mn02/CMSs复合材料的孔径分布曲线。从图6中可以看到，复合物Mn02/CMSs有两个孔径分布，一个是在2.5 nm左右的孔径分布；另一个是在1(T30 nm范围内的宽分布，这主要是交叉联接的MnO2纳米片形成的大孔结构。这一特殊的双孔结构扩大了电极材料与电解液的接触面积并且提供了更多的电化学活性位点，从而提高了电极材料的电化学性能。 三、电化学性能下面通过电化学工作站CHI660B对本专利技术制备的Mn02/CMSs复合材料的电化学性能表征进行详细说明。 1、超级电容器电极的制备:将Mn02/CMSs复合材料和乙炔黑的混合固体粉末共5.88 1^化1102/^1^8复合材料与乙炔黑的质量百分数分别85%、15%))均匀分散于11111 Naf1n溶液中，超声30min后，用移液枪量取5ul混合溶液滴在直径为5mm的玻碳电极上，自然晾干，即得测试电极。 2、电化学性能测试图7为本专利技术制备的Mn02/CMSs复合材料作为超级电容器电极材料在lmol/L的Na2SO4电解液溶液中，在电势窗口范围为-1.3-1.4V，不同扫速下的循环伏安曲线(CV)。结果表明，在所有样品的CV曲线上均都可以看见两对氧化还原峰，是产生法拉第电容的象征。而且，随着扫本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种二氧化锰/碳微球复合材料的制备方法，是以葡萄糖为起始原料，先通过水热法制得纳米碳微球，再通过原位自组装法使碳微球与二氧化锰复合而得。
【技术特征摘要】
1.一种二氧化锰/碳微球复合材料的制备方法，是以葡萄糖为起始原料，先通过水热法制得纳米碳微球，再通过原位自组装法使碳微球与二氧化锰复合而得。2.如权利要求1所述二氧化锰/碳微球复合材料的制备方法，其特征在于:包括以下工艺步骤: (O纳米碳微球的制备:将葡萄糖粉充分溶于去离子水中，于16(T200°C下水热反应12^24h ;冷却到室温后，抽滤，产物用无水乙醇和去离子水洗漆，烘干，即得纳米碳微球； (2) 二氧化锰/碳微球复合材料的制备:将纳米碳微球和KMnO4于去离子水中混合均匀，加入浓硫酸使反应体系的pH=f 2 ;然后在油浴下加热至75、0°C，回流0.5^1.5h ;待反应体系冷却到室温后，抽滤，产物用无水乙醇和去离子水洗涤，烘干，即得二氧化锰/碳微球复合材料复合材料。3.如权利要求1或2所述二氧化锰/碳微球复合材料的制备方法，其特征在于:碳微球和KMnO4的质量比为1:8?1:9。4.如权利要求1或2所述二氧化锰/碳微球复合材料...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉英，强睿斌，吴红英，胡中爱，张子瑜，董雅玉，
申请(专利权)人：西北师范大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。