一种二氧化锰—多孔碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种二氧化锰—多孔碳复合材料及其制备方法和应用，利用多孔碳还原KMnO

A manganese dioxide porous carbon composite material and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化锰—多孔碳复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于复合材料
，更加具体地说，涉及一种二氧化锰(MnO2)/多孔碳复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
在21世纪，全球能源短缺是一个严峻的问题。一些绿色能源，如太阳能、风能、水力发电等正在取代化石燃料。电化学能源因其能量密度和能量转换效率高、可随意组装和移动、无噪声污染等优点，已经成为人们关注的焦点。超级电容器是一种新型绿色储能器件，具有比锂离子电池更高的功率密度，并且使用范围广，安全易维护等有点，因而在新能源领域受到广泛关注。目前，作为超级电容器电极材料的MnO2，由于理论容量高达1232mAh/g，且具有天然产量丰富、环境友好、成本较低等特点，在催化剂、传感器、电化学器件和超级电容器电极材料等领域都有广泛的应用和研究。但是由于它具有低导电率，以及其在氧化还原循环过程中产生应力造成的粉化、剥离和脱落现象等缺点限制了其应用。在工业生产过程中影响超级电容器材料的应用有很多限制因素，其中环境原因和成本是考虑的首要因素。而理想的电极材料需具备较高的比容量以及良好的稳定性，碳材料便成为工业过程中最为关注的一类电极材料，同样也是研究最为深入的材料。多孔碳由于具有高的比表面积和优异的导电性能而得到了广泛关注。利用多孔碳提高MnO2电极材料的导电性，并减少其在电化学循环过程中的结构破坏。因此，MnO2/多孔碳复合材料在改善超级电容器电极材料的导电率及稳定性方面具有广泛的应用前景，同时也可应用于超级电容器等储能设备，并有希望应用于传感器等领域。>
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种二氧化锰—多孔碳复合材料及其制备方法和应用，即提供了一种利用多孔碳还原KMnO4，并在多孔碳表面得到了一种均匀的MnO2纳米颗粒，从而进一步改善MnO2的导电性，减少其在电化学循环过程中的结构破坏，有效改善了传统超级电容器电极材料MnO2的低导电率，以及其在氧化还原循环过程中产生应力造成的粉化脱落现象。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现。一种二氧化锰—多孔碳复合材料及其制备方法，以多孔碳还原高锰酸钾得到二氧化锰纳米颗粒并在多孔碳表面均匀分布，按照下述步骤进行：将多孔碳均匀分散在水中形成多孔碳的悬浮液，向悬浮液中加入KMnO4和Na2SO4并在搅拌条件下散在利用多孔碳还原KMnO4，并在多孔碳表面得到了一种均匀的MnO2纳米颗粒，KMnO4和碳元素的摩尔比为(1.5—2.5)：1，硫酸钠作为模板剂，对还原得到的二氧化锰进行形貌控制，浓度为0.1-0.5mol/L。在上述技术方案中，选择超声搅拌或者机械搅拌，速度为每分钟200—500转。在上述技术方案中，反应结束后，将所得产品用蒸馏水洗涤，120-150℃下真空干燥。在上述技术方案中，多孔碳的浓度为0.005-0.02g/ml，KMnO4的浓度为0.1-0.5mol/L，Na2SO4的浓度为0.1-0.5mol/L。在上述技术方案中，选择多孔碳在水中超声分散30-120分钟，形成悬浮液。在上述技术方案中，反应温度为室温20—25摄氏度，在搅拌条件下反应1—24小时，优选10—20小时。在上述技术方案中，利用多孔碳还原KMnO4，硫酸钠作为模板剂，对还原得到的二氧化锰进行形貌控制，得到的二氧化锰为直径20—30nm球状纳米颗粒。与其他材料相比，本专利技术所制备的MnO2/多孔碳复合材料，包覆均匀，实验方法简单，实验条件易达到，有效提高了MnO2电极材料的导电性，并减少其在电化学循环过程中的结构破坏。当多孔碳水中分散浓度为0.001g/ml、KMnO4和Na2SO4的浓度为0.2mol/L时，其在0.5A·g-1的电流密度下，其容量可稳定在215F·g-1，为MnO2作为超级电容器电极材料提供了一种新的方法。附图说明图1为实施例1制备的MnO2/多孔碳复合材料样品的扫描电镜照片。图2为实施例1制备的MnO2/多孔碳复合材料的电化学性能测试图(即恒电流充放电图)。图3为实施例2制备的MnO2/多孔碳复合材料样品的X射线衍射图。图4为实施例3制备的MnO2/多孔碳复合材料样品的扫描电镜照片。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。本专利技术实施例中所用的原料均为市购产品，纯度为分析纯。本专利技术制备的纳米颗粒的形貌通过扫描电子显微镜(SEM)显示，采用日本HitachiS4800型扫描电子显微镜；MnO2晶型通过X射线衍射仪(XRD)显示，采用德国布鲁克D8Advanced型X射线衍射仪；将制备的活性物质(本专利技术的二氧化锰—多孔碳复合材料)与乙炔黑和PVDF溶液以8:1:1(质量比)配制成浆料，将其涂敷于处理好的镍泡沫上，110℃真空干燥12小时，将干燥后的样品进行压片处理，在1mol/L硫酸钠电解质中，采用三电极测试体系对样品进行电化学测试，选用铂电极为对电极，参比电极为Ag/AgCl标准电极，制备的电极片为工作电极；多孔碳参看中国专利技术专利2018106219631进行制备。实例1取0.03g多孔碳，在30ml水中超声分散30分钟，将KMnO4和Na2SO4以0.2mol/L的浓度加入到多孔碳悬浮液中，强力搅拌16小时，过滤，将所得的产品用蒸馏水洗涤，150℃下真空干燥。利用扫描电子显微镜对制得的产物样品进行形貌观察，从说明书附图1可看出MnO2为30nm球状结构附着于多孔碳表面。将此产物应用于超级电容器电极材料，进行电化学表征，从附图2可以看出，其在0.5A·g-1的电流密度下，其容量可稳定在215F·g-1。实例2取0.03g多孔碳，在30ml水中超声分散30分钟，将KMnO4和Na2SO4以0.3mol/L的浓度加入到多孔碳悬浮液中，强力搅拌8小时，过滤，将所得的产品用蒸馏水洗涤，150℃下真空干燥。利用扫描电子显微镜对制得的产物样品进行形貌观察，可看出MnO2为球状结构附着于多孔碳表面。附图3是其X射线衍射图谱，其中2θ为12.7°、18.1°、28.7°、37.5°、41.8°、49.8°、60.1°和69.5°对应的衍射峰与标准卡片JCPDS00-044-0141相一致，分别对应于(110)、(200)、(310)、(211)、(301)、(411)、(521)和(541)晶面，得以印证多孔碳和二氧化锰的复合材料结构。将此产物应用于超级电容器电极材料，进行电化学表征，其在0.5A·g-1的电流密度下，其容量可稳定在192F·g-1。实例3取0.03g多孔碳，在30ml水中超声分散30分钟，将KMnO4和Na2SO4以0.1mol/L的浓度加入到多孔碳悬浮液中，强力搅拌3小时，过滤，将所得的产品用蒸馏水洗涤，150℃下真空干燥。利用扫描电子显微镜对制得的产物样品进行形貌观察，从说明书附图4可看出MnO2为球状结构附着于多孔碳表面。将此产物应用于超级电容器电极材料，进行电化学表征，其在0.5Ag本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化锰—多孔碳复合材料，其特征在于，以多孔碳还原高锰酸钾得到二氧化锰纳米颗粒并在多孔碳表面均匀分布，二氧化锰为直径20—30nm球状纳米颗粒；按照下述步骤进行：/n将多孔碳均匀分散在水中形成多孔碳的悬浮液，向悬浮液中加入KMnO

【技术特征摘要】
1.一种二氧化锰—多孔碳复合材料，其特征在于，以多孔碳还原高锰酸钾得到二氧化锰纳米颗粒并在多孔碳表面均匀分布，二氧化锰为直径20—30nm球状纳米颗粒；按照下述步骤进行：
将多孔碳均匀分散在水中形成多孔碳的悬浮液，向悬浮液中加入KMnO4和Na2SO4并在搅拌条件下散在利用多孔碳还原KMnO4，并在多孔碳表面得到了一种均匀的MnO2纳米颗粒，KMnO4和碳元素的摩尔比为(1.5—2.5)：1；硫酸钠作为模板剂，对还原得到的二氧化锰进行形貌控制。


2.根据权利要求1所述的一种二氧化锰—多孔碳复合材料，其特征在于，选择超声搅拌或者机械搅拌，速度为每分钟200—500转。


3.根据权利要求1所述的一种二氧化锰—多孔碳复合材料，其特征在于，选择多孔碳在水中超声分散30-120分钟，形成悬浮液。


4.根据权利要求1所述的一种二氧化锰—多孔碳复合材料，其特征在于，多孔碳的浓度为0.005-0.02g/ml，KMnO4的浓度为0.1-0.5mol/L，Na2SO4的浓度为0.1-0.5mol/L。


5.根据权利要求1所述的一种二氧化锰—多孔碳复合材料，其特征在于，反应温度为室温20—25摄氏度，在搅拌条件下反应1—24小时，优选10—20小时。


6.一种二氧化锰—多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，以多...

【专利技术属性】
技术研发人员：许鑫华，张茜，贾丽敏，石芸慧，郑丽婷，马绍帅，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12