一种三维支化二氧化锰纳米材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种三维支化二氧化锰纳米材料的制备方法，属于超级电容器电极材料技术领域，能够增加二氧化锰纳米材料与电解质的接触机率，从而提高其电化学性质。本发明专利技术提供的三维支化二氧化锰纳米材料的制备方法，包括：将两亲性有机分子超声分散于水中，调节pH值，置于室温放置，得到有机模板溶液；将含锰化合物溶液依次加入到所述有机模板溶液中，待搅拌混匀后，反应1‑10小时，离心得到褐色沉淀；对所述褐色沉淀进行洗涤、干燥并加热，待除去有机模板后，得到三维支化二氧化锰纳米材料。本发明专利技术可用于超级电容器电极材料以及超级电容器电极的制备中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超级电容器电极材料
，尤其涉及一种三维支化二氧化锰纳米材料的制备方法。
技术介绍
世界人口的增长以及工业的快速发展迫切需要提供更多的能源，目前主要依靠石油、煤、天然气等化石资源的燃烧来提供。一方面，化石资源的储备有限，难以再生；另一方面，在这些化石燃烧提供能量的同时释放出大量的有毒气体，带来了严重的环境污染问题。因此，发展清洁的、可持续的能源技术是解决经济发展与环境保护矛盾的有效途径。超级电容器的出现为人们减少传统石化能源的直接利用提供了良好的契机。超级电容器具有可用大电流进行快速充放电，循环寿命长的特点，这也是其区别于当前主流储能器-电池的重要特点之一，在太阳能风能发电、电动汽车、电子、电磁高功率武器装备等领域展示了广阔的应用前景。根据储能原理的不同，超级电容器分为双电层电容器和法拉第赝电容器两种。由于法拉第赝电容器可利用体相原子，在相同的电极表面积下，法拉第赝电容器的电容值比双电层电容大1-2个数量级，因此备受关注。作为一项新的技术，超级电容器目前仍存在成本高昂、容量偏小、寿命偏低的缺点，其瓶颈仍在于电极材料。氧化钌是目前研究的金属氧化物电极材料中公认的综合性能优异的电极材料，但因为其造价较高、且需要借助强酸性电解质环境而降低了其实际应用价值。低成本材料的高性能化是功能材料发展的重要方向之一。氧化锰价格便宜，且具有非常高的理论比电容，是理想的赝电容电极材料，但目前能达到的比电容与其理论值相差较大。怎样在不提高成本的同时使氧化锰材料达到更高的电化学性能，成为目前科研工作者努力实现的目标。目前，可通过在氧化锰中掺杂导电率高的物质(例如金、银等贵金属或是石墨烯等碳材料)或者直接调控氧化锰在导电基底(例如硅、碳纳米管、多孔碳等)上沉积的方式来提高其比电容。但问题在于，采用上述方式提高电化学性能是基于混合物中氧化锰的质量进行计算的。然而，由于电极中氧化锰的含量较低，因此，相对于整个电极来说，其电化学性质的提高非常有限。因此，如何提供一种具有高比表面积的二氧化锰纳米材料的制备方法，能够增加二氧化锰纳米材料与电解质的接触机率，从而提高其电化学性质将是本领域所面临的重要课题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种三维支化二氧化锰纳米材料的制备方法，能够增加二氧化锰纳米材料与电解质的接触机率，从而提高其电化学性质。本专利技术的一方面提供了一种三维支化二氧化锰纳米材料的制备方法，包括：将两亲性有机分子超声分散于水中，调节pH值，置于室温放置，得到有机模板溶液；将含锰化合物溶液依次加入到所述有机模板溶液中，待搅拌混匀后，反应1-10小时，离心得到褐色沉淀；对所述褐色沉淀进行洗涤、干燥并加热，待除去有机模板后，得到三维支化二氧化锰纳米材料。优选的，所述含锰化合物溶液与所述有机模板溶液中的含锰化合物和有机模板的摩尔比为10:1-1:30。可选的，所述含锰化合物为高锰酸钾和硝酸锰。优选的，所述高锰酸钾和所述硝酸锰的摩尔比为2:1-2:10。可选的，将两亲性有机分子超声分散于水中后，将pH值调节到3-9的范围内。可选的，所述两亲性有机分子的一端为含有可形成氢键的疏水单元，另一端为含有功能性基团的亲水单元，其中，所述功能性基团选自伯胺基、叔胺基、胍基、咪唑基和羧基中的至少一种。可选的，将所述褐色沉淀在300℃-600℃的温度下加热2-10小时，以除去所述有机模板。本专利技术的另一方面提供了一种如上述技术方案中任一项所述的三维支化二氧化锰纳米材料的制备方法所制备得到的三维支化二氧化锰纳米材料。本专利技术的再一方面提供了一种如上述技术方案所述的三维支化二氧化锰纳米材料在超级电容器电极制备中的应用。本专利技术的又一方面提供了一种超级电容器电极的制备方法，包括：将三维支化二氧化锰纳米材料、乙炔黑、聚四氟乙烯乳液按摩尔比80:15:5的比例混合，待混合均匀后加入乙醇搅拌，并烘干；将烘干后得到的粉末涂在两片泡沫镍上，用油压机以10MPa的压力将两片泡沫镍压下作为工作电极，辅助电极为铂丝，参比电极为饱和甘汞电极。本专利技术提供了一种三维支化二氧化锰纳米材料的制备方法，相比于现有技术而言，该方法在一维有机模板的存在下，通过有机模板的分子识别、催化作用诱导二氧化锰在模板表面成核、生长，继而在有机-无机界面作用驱动下组装，构建了由扭曲的纳米薄片组装形成的三维支化结构的二氧化锰材料。由该方法制备得到的三维支化二氧化锰纳米材料具有多级有序的三维结构和超高的比表面积，比表面积高达250m2g-1，远大于由纳米粒子(52-108m2g-1)、纳米棒(100-150m2g-1)、纳米片(23-43m2g-1)等作为电极材料的比电容，具有优异的电化学性能，以其作为电极材料，可获得高达430F g-1的比电容，良好的耐高扫速性和循环稳定性，高于常见的由纯二氧化锰构成的电极材料。该方法在室温、常压和近中性环境下合成了三维支化二氧化锰纳米材料，整个合成过程具有简单、节能、环境友好的特点。附图说明图1为本专利技术实施例所制备得到的三维支化二氧化锰纳米材料的透射电子显微镜照片；图2A为本专利技术实施例所制备得到的三维支化二氧化锰纳米材料的氮气吸附-脱附曲线；图2B为本专利技术实施例所制备得到的三维支化二氧化锰纳米材料的BJH孔体积分布曲线；图3A为本专利技术实施例所提供的以制备得到的三维支化二氧化锰纳米材料制作的超级电容器电极的循环伏安曲线；图3B为本专利技术实施例所提供的三维支化二氧化锰纳米材料制作的超级电容器电极的比电容-扫描速率曲线；图4为本专利技术实施例所提供的以制备得到的三维支化二氧化锰纳米材料制作的超级电容器电极的2500次循环的比电容-循环次数曲线。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供了一种三维支化二氧化锰纳米材料的制备方法，包括：S1：将两亲性有机分子超声分散于水中，调节pH值，置于室温放置，得到有机模板溶液；在本步骤中，首先利用两亲性有机分子自组装构建一维有机模板。具体的，在将两亲性有机分子超声分散于水中后，将体系pH值调节至近中性，放置静止一段时间，得到该有机模板溶液。在本步骤中，选择将两亲性有机分子分散在水中的方式来得到一维有机模板是为了所得到的一维有机模板溶液随后能够更好地与含锰化合物溶液混合在一起，以形成均一的三维纳米结构。S2：将含锰化合物溶液依次加入到所述有机模板溶液中，待搅拌混匀后，反应1-10小时，离心得到褐色沉淀；在本步骤中，为了得到褐色沉淀，将含锰化合物溶液依次加入到所述有机模板溶液中，待混匀后，反应一段时间，以保证含锰化合物与有机模板充分反应。可以理解的是，反应时间视含锰化合物与有机模板的反应充分程度而定，可以为2、3、4、5、6、7、8、9小时不等或上述范围内的其它任一点值均可。S3：对所述褐色沉淀进行洗涤、干燥并加热，待除去有机模板后，得到三维支化二氧化锰纳米材料。在本步骤中，对褐色沉淀依次进行洗涤、干燥并加热。其中，洗涤是为了除去未反应的含锰化合物，加热是为了除去有机模板。在本专利技术的一实施例中，所述含锰化合物溶液与所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维支化二氧化锰纳米材料的制备方法，其特征在于，包括：将两亲性有机分子超声分散于水中，调节pH值，置于室温放置，得到有机模板溶液；将含锰化合物溶液依次加入到所述有机模板溶液中，待搅拌混匀后，反应1‑10小时，离心得到褐色沉淀；对所述褐色沉淀进行洗涤、干燥并加热，待除去有机模板后，得到三维支化二氧化锰纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种三维支化二氧化锰纳米材料的制备方法，其特征在于，包括：将两亲性有机分子超声分散于水中，调节pH值，置于室温放置，得到有机模板溶液；将含锰化合物溶液依次加入到所述有机模板溶液中，待搅拌混匀后，反应1-10小时，离心得到褐色沉淀；对所述褐色沉淀进行洗涤、干燥并加热，待除去有机模板后，得到三维支化二氧化锰纳米材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含锰化合物溶液与所述有机模板溶液中的含锰化合物和有机模板的摩尔比为10:1-1:30。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述含锰化合物为高锰酸钾和硝酸锰。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述高锰酸钾和所述硝酸锰的摩尔比为2:1-2:10。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将两亲性有机分子超声分散于水中后，将pH值调节到3-9的范围内。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王生杰，徐海，杜明轩，王栋，邓礼，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37