MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料的制备及应用制造技术

本发明专利技术公开了MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料的制备及应用，制备方法为：1）取GS、乙酸锰，预处理；置于刚玉舟中，放入管式炉反应；2）取MnO/GSC‑0.7，放入等离子灰化仪中，在Ar和O

【技术实现步骤摘要】
MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料的制备及应用
本专利技术属于新材料
，具体涉及MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料的制备及其在电极材料方面的应用。
技术介绍
金属氧化物/碳纳米复合材料由于结合了双电层电容器和赝电容器的储能机制，具有更高的能量密度、功率密度以及循环稳定性，是目前超级电容器电极中极具发展前景的储能材料。然而，复合材料中金属氧化物含量较低，且容易团聚，仍是实际应用中有待解决的核心问题。长白山灵芝孢子呈椭圆球形，具有由几丁质和葡聚糖所构成的双层细胞壁结构，外层壳体有天然形成的小孔，且内腔较大，通过一步碳化法可制备生物质碳。所制备的孢子基多孔中空碳微球具有形态规则、流动性好、力学性能好、孔/颗粒大小便于调节等优点，而且几丁质本身含有-NH，不仅可以作为氮源前体，还可以与Mn2+产生络合反应，以溶胶态附着于生物质中，在一步碳化的过程中生成具有良好赝电容性能的MnO。碳纳米材料作为超级电容器最常用的电极材料，通过较大的比表面吸附电解质离子储能，然而其表面天然具有疏水性，导致有效比表面积非常有限，所以能量密度较低，不能满足实际应用的需要。通过杂原子掺杂法制备的N/S双掺杂碳材料具有良好的润湿性，可以提供与电解液间更大的有效接触面积，提高比电容。与传统的湿法处理相比，等离子体处理反应过程中所需要的时间很短，效率极高，且通常只作用于材料的表面，并不会破坏或改变其内部结构和化学性质。反应结束后一般也不需要对材料进行提纯和除杂等过程，不存在多余的浪费和回收处理，符合绿色、环境友好的需求，可以通过简便地调整等离子体参数，控制和优化碳材料的表面性能。因此，从低成本、环境友好的角度，通过简单的一步法制备生物质碳与MnO的复合材料，并进行杂原子掺杂和等离子体处理，对制备高电化学性能的电极材料，并应用于高比电容、快速充放电、良好循环性能的超级电容器具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术目的是为解决现有电池复合材料金属氧化物含量较低、容易团聚的问题，而提供一种MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料的制备及应用。MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料，它是由下述方法制备的：1）取0.5~2.5gGS、30~150mL0.5~1molL-1乙酸锰，在50~90℃下搅拌3~12h，混合均匀，过滤，在60~120℃下干燥6~18h；取出，置于刚玉舟中，放入管式炉，在N2流率为120~300mLmin-1、温度为700~950℃下反应1~4h，反应过程中的升降温速率为1.5~12.5℃min-1，获得的样品标记为MnO/GSC-0.7；2）取0.4~3.5gMnO/GSC-0.7，放入等离子灰化仪中，设置功率50~100W，在Ar和O2气氛下通气，所述的Ar气体流率为10~80mLmin-1，Ar和O2流率比为1:0.2~5，处理时间为5~10min，并标记为MnO/GSC-O-8；取0.1gMnO/GSC-O-8、0.1~2.5g硫脲，研磨2~5min，混匀，置于刚玉舟中，放入管式炉，在N2流率为120~300mLmin-1、温度为700~950℃下反应1~4h，反应过程中的升降温速率为1.5~12.5℃min-1，得到MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料；步骤1）所述的乙酸锰浓度为0.7molL-1；步骤2）所述的硫脲的添加量为1g；步骤2）所述的处理时间为8min。N/S双掺杂孢子基碳微球，它是由下述方法制备的：1）灵芝孢子粉的一步碳化：取2~20g未经过破壁的长白山灵芝孢子GS，在气体流率为120~300mLmin-1的N2气氛、温度为700~950℃的条件下反应1~4h，升降温速率为1.5~12.5℃min-1；2）等离子体处理：取0.4~3.5gGSC，放入等离子灰化仪中，设置功率50~100W，在Ar和O2气氛下处理，处理时间为2~10min，所述Ar气体流率为10~80mLmin-1，Ar和O2的流率比例为1:0.2~5，并标记为GSC-O-8；3）取0.1gGSC-O-8、0.1~2.5g硫脲，研磨2~5min，混,匀，置于刚玉舟中，放入管式炉，在气体流率为150mLmin-1的N2、900℃下反应1.5~2.5h，升降温速率为4~6℃/min得到N/S双掺杂孢子基碳微球；步骤2）所述的Ar和O2的流率比例为1:0.2；步骤2）所述的处理时间为8min；步骤3）所述的硫脲的添加量为1.5g。本专利技术提供了MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料，制备方法为：1）取0.5~2.5gGS、30~150mL0.5~1molL-1乙酸锰，在50~90℃下搅拌3~12h，混合均匀，过滤，在60~120℃下干燥6~18h；取出，置于刚玉舟中，放入管式炉，在N2流率为120~300mLmin-1、温度为700~950℃下反应1~4h，反应过程中的升降温速率为1.5~12.5℃min-1，获得的样品标记为MnO/GSC-0.7；2）取0.4~3.5gMnO/GSC-0.7，放入等离子灰化仪中，设置功率50~100W，在Ar和O2气氛下通气，所述的Ar气体流率为10~80mLmin-1，Ar和O2流率比为1:0.2~5，处理时间为5~10min，并标记为MnO/GSC-O-8；取0.1gMnO/GSC-O-8、0.1~2.5g硫脲，研磨2~5min，混匀，置于刚玉舟中，放入管式炉，在N2流率为120~300mLmin-1、温度为700~950℃下反应1~4h，反应过程中的升降温速率为1.5~12.5℃min-1，得到MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料；N/S双掺杂孢子基碳微球，制备方法为：1）灵芝孢子粉的一步碳化；2）等离子体处理；3）杂原子掺杂，得到N/S双掺杂孢子基碳微球；结果表明，GSC-O-8的比电容在电流密度为0.5Ag-1时最大为377.44Fg-1，在电流密度为10Ag-1下进行10 000次循环电容保持率为98.21%；GSC-NS-15的比电容在电流密度为0.5Ag-1时最大为267.47Fg-1，在电流密度为10Ag-1下进行10 000次循环性能测试，其电容保持率为96.07%；MnO/GSC-O-NS-10的比电容在电流密度为0.5Ag-1时最大为568.92Fg-1，在电流密度为10Ag-1下进行10 000次循环性能测试，其电容保持率为75.11%；本专利技术所制备的孢子基多孔中空碳微球具有形态规则、流动性好、力学性能好、孔/颗粒大小便于调节等优点；制备的高电化学性能的电极材料具有低成本、环境友好等优点。附图说明图1MnO/GSC复合材料的制备及表面功能化机理图；图2MnO/GSC-0.7的扫描电镜图(a,b,c)和透射电镜图(d,e,f)；图3MnO/GSC-O-8的扫描电镜图(a,b,c)和透射电镜图(d,e,f)；图4MnO/GSC-O-NS-10的扫描电镜图(a,b,c)和透射电镜图(d,e,f)；图5MnO/GSC-0.7、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料，它是由下述方法制备的：/n1）每取0.5~2.5g GS、 30~150mL 0.5~1mol L

【技术特征摘要】
1.MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料，它是由下述方法制备的：
1）每取0.5~2.5gGS、30~150mL0.5~1molL-1乙酸锰，在50~90℃下搅拌3~12h，混合均匀，过滤，在60~120℃下干燥6~18h；取出，置于刚玉舟中，放入管式炉，在N2流率为120~300mLmin-1、温度为700~950℃下反应1~4h，反应过程中的升降温速率为1.5~12.5℃min-1，获得的样品标记为MnO/GSC；
2）取0.4~3.5gMnO/GSC，放入等离子灰化仪中，设置功率50~100W，在Ar和O2气氛下通气，所述的Ar气体流率为10~80mLmin-1，Ar和O2流率比为1:0.2~5，处理时间为5~10min，并标记为MnO/GSC-O；取0.1gMnO/GSC-O-8、0.1~2.5g硫脲，研磨2~5min，混匀，置于刚玉舟中，放入管式炉，在N2流率为120~300mLmin-1、温度为700~950℃下反应1~4h，反应过程中的升降温速率为1.5~12.5℃min-1，得到MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料。


2.根据权利要求1所述的MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料，其特征在于：步骤1）所述的乙酸锰浓度为0.7molL-1。


3.根据权利要求2所述的MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料，其特征在于：步骤2）所述的处理时间为8min。


4.根据权利要求1、2或3所述的MnO/孢子基双掺杂多孔碳微球复合材料，其特征在于：步骤2）所述的硫脲的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟龙月，韩莲花，蒋世翠，刘康恺，
申请(专利权)人：延边大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22