基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片的电极材料、制备方法和超级电容器技术

基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，包括由碳化后的片状杉木片经过活化处理、化学气相沉积和电化学沉积得到；经过活化处理在碳化后的片状杉木片内形成有从上到下整齐顺直的管胞结构；化学气相沉积包括在CO2活化后的片状杉木片上化学气相沉积碳纳米管，使得在管胞结构的内壁生长有碳纳米管；电化学沉积包括在化学气相沉积后的片状杉木片上碳纳米管的周围电化学沉积有二氧化锰。本发明专利技术采用化学气相沉积法在杉木管胞内壁制备了碳纳米管，并在管胞内表面电化学沉积了MnO2，提高了器件的稳定性和循环性能。

Electrode Material, Preparation Method and Super Capacitor of Chinese Fir Carbon Sheet Based on Carbon Nanotubes and Manganese Dioxide

【技术实现步骤摘要】
基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片的电极材料、制备方法和超级电容器
本专利技术涉及一种超级电容器的电极材料，尤其涉及一种基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片的电极材料、制备方法和超级电容器。
技术介绍
生物质材料具有来源广泛，环境友好，绿色可持续，定向结构独特的优点，在储能领域有着广阔的应用前景。生物质材料经碳化活化后有效地提高了比电容，可获得比表面积2000-3000m2g-1的粉末状生物质碳材料。然而，在粉末活性碳电极材料的中使用粘合剂会增加电荷转移的阻力，从而限制比容量的增加。因此，由于不需要粘合剂和导电剂，整个生物质材料如碳化活性木片被用作电极材料具有更良好的应用前景。然而，这一整片生物质碳材料不能如粉末状的生物质碳材料一样完全活化，因此其比表面积是有限的。为了进一步提高电容器的比容量，研究人员在木材管胞中填充二氧化锰、氢氧化钴、聚吡咯等活性物质，以获得更高的容量。这些活性物质通过弱相互作用随机堆积在木材管胞内壁，导电性较差，长效性能不理想。如何有效地提高整个碳化木片的比容量和储能装置的稳定性仍然是一个挑战。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种比电容高、循环效率好的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片的电极材料、制备方法和超级电容器。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料：包括由碳化后的片状杉木片经过活化处理、化学气相沉积和电化学沉积得到；经过所述活化处理在碳化后的片状杉木片内形成有从上到下整齐顺直的管胞结构；所述化学气相沉积包括在CO2活化后的片状杉木片上化学气相沉积碳纳米管，使得在管胞结构的内壁生长有碳纳米管；所述电化学沉积包括在化学气相沉积后的片状杉木片上碳纳米管的周围电化学沉积有二氧化锰。上述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：所述活化处理为CO2活化，所述CO2活化为碳化后的片状杉木片在CO2的流动气氛中，在650-850℃的温度下活化8-12小时。上述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：所述气化学沉积为：将活化处理后的片状杉木片在80-100℃的Ni(NO3)2水溶液中浸泡15分钟，去除水分后；以H2为还原气，乙烯为碳源，Ar为保护气，在管式炉中进行化学气相沉积，得到化学气相沉积后的片状杉木片，即CNT/AWC导电平台；进行后化学气相沉积后，碳化后的片状杉木片的管胞结构的内壁上生长有碳纳米管。上述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：所述所述H2气流、乙烯气流和Ar气流的流量比为1:3:10，所述H2气流的流量为20-40sccm(标准立方厘米)；化学气相沉积的时间为3-10min。上述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：所述电化学沉积为：将CNT/AWC导电平台进入到Mn(CH3COO)和Na2SO4溶液的混合溶液中以石墨板为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，在室温下进行恒电位电沉积，得到电化学沉积后的片状杉木片，即MnO2@CNT/AWC导电平台。上述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：所述Mn(CH3COO)和Na2SO4溶液的浓度均为0.1mol/L。一种基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料的制备方法，包括以下步骤：1)将杉木木材自然风干后，切成预设的尺寸；2)碳化，将步骤1)的杉木片放置在热风干燥箱内与碳化4-8小时，在Ar气的保护下，在800-1200℃下碳化8-12h，得到OWC薄片；3)CO2活化：将OWC薄片在CO2和Ar混合气流中，活化8-12小时，并且切削或者打磨至预设的尺寸，形成AWC电极；活化温度为650-850℃；Ar气流流量为CO2流量的3倍，所述CO2流量为80-120sccm。4)除杂；5)CNT/AWC导电平台的制备，将步骤4)处理后的AWC电极在Ni(NO3)2水溶液中浸泡10-20分钟，然后在干燥箱中去除水分，以H2为还原气，乙烯为碳源，Ar为保护气，在管式炉中进行化学气相沉积，得到CNT/AWC导电平台；所述H2气流、乙烯气流和Ar气流的流量比为1:3:10，所述H2气流的流量为20-40sccm；化学气相沉积的时间为3-10min；6)将步骤5)的CNT/AWC导电平台进行亲水性处理；7)MnO2@CNT/AWC导电平台的制备：将步骤6)的CNT/AWC导电平台浸入Mn(CH3COO)2和Na2SO4溶液的混合溶液中，以石墨板为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在室温下进行恒电位电沉积得到MnO2@CNT/AWC导电平台，即得到基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料；所述Mn(CH3COO)2和Na2SO4溶液的溶度比为1:1，所述Mn(CH3COO)2溶液的溶度为0.05-0.15mol/L。上述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料的制备方法，优选的，所述步骤4)为，将步骤3)得到的AWC电极用超声波清洁器在乙醇和去离子水中分别超声约10-30分钟后，在干燥箱中干燥6-10小时.上述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料的制备方法，优选的，所述步骤6为，将步骤5)得到的CNT/AWC导电平台放入10％wtHNO3和20％wtH2SO4的混合溶液中3分钟，使其具有亲水性；然后用去离子水清洗至中性。一种超级电容器，包括上述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料。在本专利技术中，用MnO2@CNT/AWC作正极，CNT/AWC作负极，聚乙烯醇磷酸凝胶电解质作为电解质。组装后的超级电容器的电位窗可以有效增加到0～1.8V，MnO2@CNT/AWC-CNT/AWC的比电容增加到88.0Fg-1。MnO2@CNT/AWC-CNT/AWC在15macm-2下长时间充放电循环10000次后仍能保持93.5％的电容。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术采用化学气相沉积法在杉木管胞内壁制备了碳纳米管，并在管胞内表面电化学沉积了MnO2，提高了器件的稳定性和循环性能。附图说明图1图1为AWC电极的侧视图的扫描电镜图像。图2为CNT/AWC片的SEM图像。图3为CNT/AWC片的TEM图像。图4为催化剂镍颗粒的TEM图像。图5为MnO2@CNT/AWC导电平台的SEM图像。图6为MnO2@CNT/AWC导电平台的SEM图像。图7为MnO2@CNT/AWC导电平台的典型TEM图像。图8为MnO2@CNT/AWC导电平台的HR-TEM图像。图9为MnO2@CNT/AWC导电平台的元素映射。图10为MnO2@CNT/AWC导电平台的测量XPS光谱。图11为MnO2@CNT/AWC导电平台的X射线光电子能谱图。图12为AWC电极在-0.9～0V电位窗下不同扫描速率下的循环伏安(CV)曲线。图13为AWC电极在-1～0V电位窗下不同电流密度下的恒流充放电(GCD)曲线。图14为CNT/AWC和MnO2@CNT/AWC电极在10mVs-1下在-1～0V和0～0.8V的电位窗口上的CV曲线。图15为CNT/AWC和MnO2@CNT/AWC的相应质量比电容和体积电容。图16为CNT/AWC和MnO2@CNT/AWC的奈奎斯特图。图17为在0～1.8V的电位窗口下，10mVs-1的M本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：包括由碳化后的片状杉木片经过活化处理、化学气相沉积和电化学沉积得到；经过所述活化处理在碳化后的片状杉木片内形成有从上到下整齐顺直的管胞结构；所述化学气相沉积包括在CO2活化后的片状杉木片上化学气相沉积碳纳米管，使得在管胞结构的内壁生长有碳纳米管；所述电化学沉积包括在化学气相沉积后的片状杉木片上碳纳米管的周围电化学沉积有二氧化锰。

【技术特征摘要】
1.基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：包括由碳化后的片状杉木片经过活化处理、化学气相沉积和电化学沉积得到；经过所述活化处理在碳化后的片状杉木片内形成有从上到下整齐顺直的管胞结构；所述化学气相沉积包括在CO2活化后的片状杉木片上化学气相沉积碳纳米管，使得在管胞结构的内壁生长有碳纳米管；所述电化学沉积包括在化学气相沉积后的片状杉木片上碳纳米管的周围电化学沉积有二氧化锰。2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：所述活化处理为CO2活化，所述CO2活化为碳化后的片状杉木片在CO2的流动气氛中，在650-850℃的温度下活化8-12小时。3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：所述气化学沉积为：将活化处理后的片状杉木片在80-100℃的Ni(NO3)2水溶液中浸泡15分钟，去除水分后；以H2为还原气，乙烯为碳源，Ar为保护气，在管式炉中进行化学气相沉积，得到化学气相沉积后的片状杉木片，即CNT/AWC导电平台；进行后化学气相沉积后，碳化后的片状杉木片的管胞结构的内壁上生长有碳纳米管。4.根据权利要求3所述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：所述所述H2气流、乙烯气流和Ar气流的流量比为1:3:10，所述H2气流的流量为20-40sccm；化学气相沉积的时间为3-10min。5.根据权利要求1所述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：所述电化学沉积为：将CNT/AWC导电平台进入到Mn(CH3COO)和Na2SO4溶液的混合溶液中以石墨板为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，在室温下进行恒电位电沉积，得到电化学沉积后的片状杉木片，即MnO2@CNT/AWC导电平台。6.根据权利要求5所述的基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料，其特征在于：所述Mn(CH3COO)和Na2SO4溶液的浓度均为0.1mol/L。7.一种基于碳纳米管和二氧化锰的杉木碳片电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将杉木木材自然风干后...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗勇锋，张森，吴陈灵，周璀，吴维，邓圆圆，王欣，李贤军，陈道勇，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43