一种多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列的制备方法及应用，涉及超级电容器电极材料制备技术领域，包括以下步骤：将高锰酸钾溶于去离子水配制溶液，将泡沫镍网进行清洗处理；然后将高锰酸钾溶液和泡沫镍网一起转移至水热反应釜中，加热、保温进行水热反应，反应结束后洗涤反应产物，干燥，得表面长有无定型锰氧化物前驱体的泡沫镍，将其在惰性气氛中进行煅烧，即得。本发明专利技术制得的泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列结构可以有效提高活性材料的电容值，缩短离子转移的路径长度，缓冲充放电过程中释放的机械应力，在高倍率和长周期的充放电循环中，可以有效保持较高的比容量不衰减，有望实现工业化大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列的制备方法及应用
本专利技术涉及涉及超级电容器电极材料制备
，尤其涉及一种多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列的制备方法及应用
技术介绍
人口和全球经济的迅速增长，使得世界范围内对能源消费的需求迅速增加。由于担心化石燃料消耗对环境产生严重的污染，同时电网能源储存和消费电子设备的需求日益增加，开发高效的能源储存系统是迫在眉睫的。在各种储能技术中，超级电容器(Supercapacitor)，又称为电化学电容器，与其他储能装置不同，是通过电化学电荷转移过程在电极表面和近表面区域存储电荷，这些电荷存储的过程发生在非常快的速率下，周期寿命可达上万次的循环，其高功率密度和长循环寿命方面优于传统锂离子电池而受到人们的广泛关注。超级电容器储能装置在便携式电子设备和混合动力汽车中特别有用，具有独特安全操作性的同时还有着集成高功率密度和高能量密度的优点，弥补了传统电容器和电池/燃料电池之间的能量缺口，广泛应用于便携式消费电子设备、存储器备份系统、汽车、工业电源和能源管理等领域。根据储能机理，电容器可分为两类，即双电层电容器(ElectricalDouble-LayerCapacitors，缩写为EDLCs)和赝电容器(Pseudocapacutor)。在双电层电容器(EDLCs)中，阴离子和阳离子在电极/电解质界面上的吸附作用是其电容的来源，因此它强烈地依赖于电极材料与电解质离子的接触面积。在充电过程中，电子通过外环从负极移动到正极，阴离子移动到正极，而阳离子移动到负极，来实现能量的存储。而赝电容(pseudocapacutor)，也称为法拉第准电容，是在电极表面或体相的二维或准二维空间中，发生的电活性物质的高度可逆化学吸附、解吸或氧化、还原反应，导致与电极材料充放电电位相关的电容。基于这样的原理，不仅可以在电极表面产生赝电容，而且可以在整个电极中产生，因此赝电容的容量和能量密度都高于传统的双电层电容。一般而言，在相同的电极面积下，赝电容可以是双层电容的几倍到几十倍。作为赝电容器的重要电极材料之一，二氧化锰(MnO2)因其成本低、丰度高、电压窗宽、理论容量大(～1370Fg-1)和低毒性而受到广泛研究。MnO2存在于许多晶型中，其结构主要是由边缘共享的八面体层叠而成。其具有更好的电容和速率行为，因为层与层之间的空隙在充放电过程中质子或碱金属离子可以作为电荷载流子迅速扩散。在1999年，Lee和Goodenough首次使用非晶态MnO2·nH2O在温和的KCl水溶液中分别作为超级电容器的电极和电解质，获得了约200Fg-1的比电容量(J.SolidStateChem.,1999,144,220–223)。尽管如此，与其他氧化物半导体类似，MnO2依然受到低电子电导率(10-5Scm-1至10-6Scm-1)和低离子电导率的限制，因此在充放电过程中大量的能源被消耗在其内阻中，导致实际比容量远远低于理论值。同时需要指出的是，以往制备出来的粉体需要进一步通过粘合剂粘接到基底上去才能使用，常用的粘合剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)，羧甲基纤维素钠(CMC-Na)还有聚四氟乙烯(PTFE)等，均为高分子化合物，导电性很差，常常造成内阻偏大，降低电容器性能。研究发现提高电极和电解质界面上离子和电子的传输动力学是至关重要的，一些研究报道为了提高MnO2基电极的比电容量，采用多种方法合成了具有新型形貌、多级孔结构、大孔体积和高比表面积的纳米MnO2基电极，也有采用多孔金属基、导电聚合物、碳的纳米管/纳米纤维/球体、和石墨烯等高导电材料制备MnO2基复合材料，通过协同效应，是提高MnO2基电极性能的一种有效途径。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列的制备方法及应用，制得的泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列结构可以有效提高活性材料的电容值，缩短离子转移的路径长度，缓冲充放电过程中释放的机械应力，在高倍率和长周期的充放电循环中，可以有效保持较高的比容量不衰减。本专利技术提出的一种多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列的制备方法，包括以下步骤：S1、锰氧化物前驱体制备：将高锰酸钾溶于去离子水配制溶液，将泡沫镍网进行清洗处理；然后将高锰酸钾溶液和泡沫镍网一起转移至水热反应釜中，加热、保温进行水热反应，反应结束后洗涤反应产物，干燥，得表面长有无定型锰氧化物前驱体的泡沫镍；S2、高温煅烧：将表面长有无定型锰氧化物前驱体的泡沫镍在惰性气氛中进行煅烧，得黑色氧化锰阵列负载的多孔泡沫镍。优选地，S1中，泡沫镍网的清洗处理操作如下：将泡沫镍网浸入有机溶剂中，超声除去表面的油脂，取出，浸入盐酸溶液中，超声除去表面氧化层，取出，浸入无水乙醇中，超声清洗；重复上述步骤洗涤3次，然后在60℃下真空干燥，即得表面清洁的泡沫镍网；优选有机溶剂为丙酮或甲苯或两者任意比例的混合；优选盐酸溶液浓度为2-6mol/L。优选地，S1中，高锰酸钾溶液的浓度为0.2-0.5mol/L。优选地，S1中，水热反应的温度为140-160℃；优选地，反应时间为8-12h。优选地，S1中，反应产物采用乙醇和水分别洗涤3-4次。优选地，S2中，惰性气氛为氮气或氩气气氛。优选地，S2中，煅烧的升温速率为3-10℃/min。优选地，S2中，煅烧温度为350-400℃，煅烧时间为2-3h。本专利技术还提出了一种采用上述方法制备的多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列。本专利技术还提出了一种采用上述方法制备的多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列在赝电容器电极材料中应用。有益效果：本专利技术提出了一种具有高效循环性能和可高倍率充放电的氧化锰超级电容器电极材料的制备方法，是将泡沫镍作为超级电容器的优良集流体和生长基底，先采用水热法使KMnO4与金属镍反应被还原，生成无定型猛氧化物前驱体，再通过煅烧结晶，生成在多孔泡沫镍基底上的氧化锰纳米片阵列结构。泡沫镍是良好的导电基底，具有较高的表面粗糙度和较好的耐磨损性能，而镍骨架的多孔性质提供了优异的机械强度，并使得电解质中电荷传输变得容易，制得的泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列结构可以有效提高活性材料的电容值，增强材料对离子传导能力，缩短离子转移的路径长度，降低内阻，缓冲充放电过程中释放的机械应力，在高倍率和长周期的充放电循环中，可以有效保持较高的比容量不衰减。本专利技术中的MnO2有可控的粒径、形貌、结晶度、高比表面积和良好的电导率，是提高其比电容量、充放电速率和循环稳定性的关键。以该材料组装超级电容器体系，测试结果表明，可以有效地利用可逆的氧化还原反应进行能量储存。在电流密度为1A/g时，其电容值为328F/g，而当电流密度增加到15A/g时，其电容值依然可以保持在156F/g，同时在电流密度为5A/g条件下，循环充放电10000次，比容量衰减小于3％，证实本专利技术中的氧化锰材料可以成为工业超级电容器用理想的赝电容器电极材料，且本专利技术起始原料都是化工行业常用的原料，制造成本低廉，所使用的工艺技术简单易行且工艺成熟，可实现工业化大规模生产，有望用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、锰氧化物前驱体制备：将高锰酸钾溶于去离子水配制溶液，将泡沫镍网进行清洗处理；然后将高锰酸钾溶液和泡沫镍网一起转移至水热反应釜中，加热、保温进行水热反应，反应结束后洗涤反应产物，干燥，得表面长有无定型锰氧化物前驱体的泡沫镍；/nS2、高温煅烧：将表面长有无定型锰氧化物前驱体的泡沫镍在惰性气氛中进行煅烧，得黑色氧化锰阵列负载的多孔泡沫镍。/n

【技术特征摘要】
1.一种多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、锰氧化物前驱体制备：将高锰酸钾溶于去离子水配制溶液，将泡沫镍网进行清洗处理；然后将高锰酸钾溶液和泡沫镍网一起转移至水热反应釜中，加热、保温进行水热反应，反应结束后洗涤反应产物，干燥，得表面长有无定型锰氧化物前驱体的泡沫镍；
S2、高温煅烧：将表面长有无定型锰氧化物前驱体的泡沫镍在惰性气氛中进行煅烧，得黑色氧化锰阵列负载的多孔泡沫镍。


2.根据权利要求1所述的多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列的制备方法，其特征在于，S1中，泡沫镍网的清洗处理操作如下：将泡沫镍网浸入有机溶剂中，超声除去表面的油脂，取出，浸入盐酸溶液中，超声除去表面氧化层，取出，浸入无水乙醇中，超声清洗；重复上述步骤洗涤3次，然后在60℃下真空干燥，即得表面清洁的泡沫镍网；优选有机溶剂为丙酮或甲苯或两者任意比例的混合；优选盐酸溶液浓度为2-6mol/L。


3.根据权利要1或2所述的多孔泡沫镍负载氧化锰纳米片阵列的制备方法，其特征在于，S1中，高锰酸钾溶液的浓度为0.2-0.5mol/L。
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【专利技术属性】
技术研发人员：朱青，陈晓露，靳顺茹，汤乐，李磊磊，杨丽，
申请(专利权)人：苏州机数芯微科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32