一种含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法技术

本发明专利技术公开一种用于超级电容器的含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法，其以含氮生物质碳和二氧化锰为原料制备所述电极。首先通过水热法合成二氧化锰纳米线，之后将二氧化锰纳米线、含氮生物质碳和二氧化硅混合，依次经过高温碳化和碱液刻蚀，最终形成复合电极材料。所制备的复合电极材料具有较高的比电容值，在2mol/L的Ca(NO3)2电解液中，比容量最高可达357.5F/g，并且具有优异的循环稳定性，5000次循环后，比容量依然可以保持97.2％。本发明专利技术所用生物质碳为可再生资源，二氧化锰为环境友好型原材料，都具有原料丰富且成本较低的特点。本发明专利技术制备的超级电容器用复合电极性能优异，且操作简单，可以满足能量存储的应用需求。

【技术实现步骤摘要】
一种含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法
本专利技术属于超级电容器电极材料制备领域，并且具体涉及一种用于超级电容器的含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法。
技术介绍
超级电容器由于其高功率密度、高循环寿命和高稳定性等优点，引起了人们的极大关注。依据储能机理可以将超级电容器分为两类：双电层电容器和赝电容器。其中，双电层电容器依靠电极/电解液界面形成的静电双电层来储存电荷，所用电极材料以高比表面积的碳材料为主。赝电容器通过在电极材料表面或体相发生可逆的氧化还原反应来储存电荷，所用电极材料主要包括导电聚合物和金属氧化物。超级电容器当前面临的主要技术挑战是寻找能够满足其需求的高性能电极材料。源自生物质资源的多孔碳材料具有很大的比表面积和有利于电解液离子扩散的丰富的孔结构，是用来制备超级电容器电极的一种理想材料。但基于双电层的储能原理导致碳材料的储能密度受限，通过选择含氮丰富的生物质碳可以在碳材料中引入含氮官能团，利用此类官能团在充放电过程中的氧化还原反应可以引入额外的赝电容，提高电容性能。通过将过渡金属氧化物嵌入碳材料多孔网格内也可以进一步提升超级电容器的电容性能，其中MnO2由于廉价、环保以及电容性能优异而备受关注。而MnO2的形貌对其电容性能影响巨大。控制特定形貌的MnO2使其均匀嵌入多孔碳网格中是一个重要的发展方向。
技术实现思路
为了解决现有含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极制备时存在的技术问题，本专利技术提供一种用于超级电容器的含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法。本专利技术解决技术问题采用如下技术方案：一种用于超级电容器的含氮多孔碳/二氧化锰(MnO2)纳米线复合电极的制备方法，其包括以下步骤：(1)MnO2纳米线的合成；将KMnO4和K2S2O8溶解于去离子水中形成混合溶液一，将所述混合溶液一进行水热反应，其中，KMnO4、K2S2O8、去离子水的重量比例为0.75∶1.30∶15；反应结束后，对产物进行清洗，并60℃真空干燥处理，得到MnO2纳米线；(2)含氮多孔碳/MnO2复合电极材料的制备；将MnO2纳米线、含氮生物质、SiO2纳米颗粒混合分散到另行准备的去离子水中形成混合溶液二，所述混合溶液二超声处理30分钟，其中，MnO2纳米线、含氮生物质、SiO2纳米颗粒、另行准备的去离子水的重量比例为(0.01～6)∶2∶2∶50；将所述混合溶液二置于在80℃环境中至溶剂全部蒸发，并进一步在-40℃下冷冻干燥12小时，将得到产物进行热处理，并进一步用2mol/L的KOH溶液处理，以实现对SiO2的刻蚀并得到最终产物含氮多孔碳/MnO2纳米线复合电极材料。作为上述方案的进一步改进，MnO2纳米线的合成时，相应的产物清洗采用去离子水和酒精对产物进行清洗。作为上述方案的进一步改进，MnO2纳米线的合成时，相应的产物置于60℃真空烘箱中进行干燥处理。作为上述方案的进一步改进，所述热处理的条件为先在300℃下处理2小时，后以2℃/分钟的升温速率将热处理温度提升到800℃并保持此温度1小时以实现含氮生物质的碳化。作为上述方案的进一步改进，所述热处理在惰性气氛下进行。作为上述方案的进一步改进，制备MnO2纳米线时使用的水热反应温度为100℃至220℃，反应时间为6小时至48小时。作为上述方案的进一步改进，制备的MnO2纳米线的直径为1nm至100nm，长度为10nm至2000nm。作为上述方案的进一步改进，所述含氮生物质选自豆渣、蛋清、蛋壳膜、蚕丝、鸡毛、头发、明胶。作为上述方案的进一步改进，MnO2纳米线的用量为含氮生物质质量的0.01至2倍。作为上述方案的进一步改进，所述SiO2纳米颗粒的粒径在1nm至100nm。本专利技术以含氮生物质碳和MnO2为原料制备用于超级电容器的含氮多孔碳/α-MnO2纳米线复合电极。首先通过水热法合成MnO2纳米线，之后将MnO2纳米线、含氮生物质碳和SiO2混合，依次经过高温碳化和碱液刻蚀，最终形成含氮多孔碳/MnO2纳米线复合电极材料。所制备的复合电极材料具有较高的比电容值，在2mol/L的Ca(NO3)2电解液中，比容量最高可达357.5F/g，并且具有优异的循环稳定性，5000次循环后，比容量依然可以保持97.2％。本专利技术所用生物质碳为可再生资源，MnO2为环境友好型原材料，都具有原料丰富且成本较低的特点。本专利技术制备的超级电容器用复合电极性能优异，且操作简单，可以满足能量存储的应用需求。生物质碳如明胶等含有大量的氨基酸，因此含氮量丰富。本专利技术以此为原料碳化制备的多孔碳材料中含有大量的含氮官能团，利用此类官能团在充放电过程中的氧化还原反应可以引入额外的赝电容，提高电容性能。而具有纳米线形貌的MnO2可以缩短电解液离子的扩散路径，并提供大量的氧化还原反应位点，从而进一步提高电容性能。使用SiO2纳米颗粒为模板可以在产物中制造出丰富的孔结构，有利于电容性能。同时SiO2纳米颗粒在反应过程中可以起到分散、固定和保护MnO2纳米线的功能，最终实现含氮多孔碳/MnO2纳米线复合电极材料的制备。附图说明图1是本专利技术用于超级电容器的含氮多孔碳/MnO2纳米线复合电极的制备方法的流程图。图2是图1中制备方法制备的含氮多孔碳/MnO2纳米线复合电极的透射电镜图。图3是图1中制备方法制备的复合电极的X-射线衍射图谱图、拉曼光谱图和红外光谱图。图4是图1中制备方法制备的复合电极的氮气吸附脱附曲线图、比表面积和孔径分布图。图5是图1中制备方法制备的复合电极的x-射线光电子能谱图。图6是图1中制备方法制备的复合电极的电化学性能图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术的用于超级电容器的含氮多孔碳/MnO2纳米线复合电极的制备方法，其以含氮生物质碳和MnO2为原料制备电极。首先通过水热法合成MnO2纳米线，之后将MnO2纳米线、含氮生物质碳和SiO2混合，依次经过高温碳化和碱液刻蚀，最终形成含氮多孔碳/MnO2纳米线复合电极材料。所制备的复合电极材料具有较高的比电容值，在2mol/L的Ca(NO3)2电解液中，比容量最高可达357.5F/g，并且具有优异的循环稳定性，5000次循环后，比容量依然可以保持97.2％。本专利技术所用生物质碳为可再生资源，MnO2为环境友好型原材料，都具有原料丰富且成本较低的特点。本专利技术制备的超级电容器用复合电极性能优异，且操作简单，可以满足能量存储的应用需求。在本实施例中，请参阅图1，含氮多孔碳/MnO2纳米线复合电极的制备方法主要包含两大步骤。(1)MnO2纳米线的合成。将KMnO4和K2S2O8溶解于去离子水中形成混合溶液一，将所述混合溶液一进行水热反应，其中，KMnO4、K2S2O8、去离子水的重量比例为0.75∶1.30∶15；反应结束后，对产物进行清洗，并60℃真空干燥处理，得到MnO2纳米线。如，将0.75克KMnO4和1.30克K2S2O8溶解于15毫升去离子水中。将上述混合溶液置于反应釜中进行水热高温反应。反应结束后，使用去离子水和酒精对产物进行清洗，并在60℃真空烘箱中进行干燥处理。制备MnO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超级电容器的含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)二氧化锰纳米线的合成；将KMnO4和K2S2O8溶解于去离子水中形成混合溶液一，将所述混合溶液一进行水热反应，其中，KMnO4、K2S2O8、去离子水的重量比例为0.75∶1.30∶15；反应结束后，对产物进行清洗，并60℃真空干燥处理，得到二氧化锰纳米线；(2)含氮多孔碳/二氧化锰复合电极材料的制备；将二氧化锰纳米线、含氮生物质、二氧化硅纳米颗粒混合分散到另行准备的去离子水中形成混合溶液二，所述混合溶液二超声处理30分钟，其中，二氧化锰纳米线、含氮生物质、二氧化硅纳米颗粒、另行准备的去离子水的重量比例为(0.01～6)∶2∶2∶50；将所述混合溶液二置于在80℃环境中至溶剂全部蒸发，并进一步在‑40℃下冷冻干燥12小时，将得到产物进行热处理，并进一步用2mol/L的KOH溶液处理，以实现对二氧化硅的刻蚀并得到最终产物含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种用于超级电容器的含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)二氧化锰纳米线的合成；将KMnO4和K2S2O8溶解于去离子水中形成混合溶液一，将所述混合溶液一进行水热反应，其中，KMnO4、K2S2O8、去离子水的重量比例为0.75∶1.30∶15；反应结束后，对产物进行清洗，并60℃真空干燥处理，得到二氧化锰纳米线；(2)含氮多孔碳/二氧化锰复合电极材料的制备；将二氧化锰纳米线、含氮生物质、二氧化硅纳米颗粒混合分散到另行准备的去离子水中形成混合溶液二，所述混合溶液二超声处理30分钟，其中，二氧化锰纳米线、含氮生物质、二氧化硅纳米颗粒、另行准备的去离子水的重量比例为(0.01～6)∶2∶2∶50；将所述混合溶液二置于在80℃环境中至溶剂全部蒸发，并进一步在-40℃下冷冻干燥12小时，将得到产物进行热处理，并进一步用2mol/L的KOH溶液处理，以实现对二氧化硅的刻蚀并得到最终产物含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极材料。2.如权利要求1所述的用于超级电容器的含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法，其特征在于：二氧化锰纳米线的合成时，相应的产物清洗采用去离子水和酒精对产物进行清洗。3.如权利要求1所述的用于超级电容器的含氮多孔碳/二氧化锰纳米线复合电极的制备方法，其特征在于：二氧化锰纳米线的合成时，相应的产物置于60℃真空烘...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振洋，张淑东，李年，刘翠，蒋长龙，刘变化，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34