一种生物质碳气凝胶-MnO制造技术

本发明专利技术公开了一种生物质碳气凝胶

【技术实现步骤摘要】
一种生物质碳气凝胶
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MnO
x
复合电极材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于储能材料与生物质绿色利用的能源化工
，具体涉及一种生物质碳气凝胶
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MnO
x
复合电极材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着世界化石燃料能源消费的快速增长和人口的急剧增加，开发可再生、清洁、低成本、高效的替代能源已迫在眉睫。由于水能、风能、生物质能和太阳能等可持续和可再生资源的能源产量迅速增加，需要不断加大研究力度，以有效地存储和输运此类可再生能源。在众多的储能技术中，超级电容器以其容量大、充放电快、循环稳定性强、无毒性等优点越来越受到人们的关注，成为下一代储能设备中最有前途的候选者之一。
[0003]根据其储能机理，超级电容器主要分为双电层电容器(EDLCs)和赝电容电容器。EDLCs通过将电解质中的离子聚集在电极材料处形成电场，而赝电容电容器通过快速可逆氧化还原反应中的电子转移来存储电荷。电极材料对超级电容器的电化学性能有着重要的影响。对于EDLCs来说，电极材料需要能够从电解液中储存大量的离子，因此需要具有发达的孔结构和较大的表面积。多孔碳基材料，如活性炭、碳纳米管、石墨烯、碳气凝胶等，通常具有多孔性可控、表面积大、电导率高、无毒性等特点，在大多数情况下被选择作为电极材料。在多孔碳基材料，碳气凝胶是一种新型的多孔碳材料, 由于其三维结构已经吸引了越来越多的关注。然而，由于纯碳气凝胶的表面积较低，其比电容相对较低，这极大地限制了其在商用超级电容器中的应用。与碳材料相比,赝电容材料通常表现出大的比电容和高的能量密度, 其中MnO
x (MnO2、MnO、Mn3O4及其复合材料)由于其成本低、自然资源丰富、环境友好性好，被认为是最有前途的高性能超级电容器赝容材料之一。然而，MnO
x
较差的电导率阻碍了其广泛的应用。基于上述的不足，急需要研发一种超级电容器新材料。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种生物质碳气凝胶
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MnO
x
复合电极材料的制备方法及其应用，该方法首先合成整体式的碳气凝胶，然后在碳气凝胶碳骨架上进行MnO
x
生长，制备碳气凝胶/MnO
x
复合电极材料。该方法原料及合成工艺绿色简单，成本低廉，所制备的电极材料同时具有双电层电容特性和赝电容法拉第反应，表现出优异的电容性能。本方法的提出成功解决了碳气凝胶质量比电容相对较低和MnO
x
较差电导率的问题。
[0005]为解决现有技术问题，本专利技术采取的技术方案：一种生物质碳气凝胶
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MnO
x
复合电极材料的制备方法，将萝卜通过水热碳化、冷冻干燥，并在CO2气氛下活化合成整体式碳气凝胶；再将碳气凝胶浸渍在硝酸锰溶液中，再在空气氛围下煅烧，实现了碳骨架上MnO
x
的生长，即得碳气凝胶/MnO
x
复合电极材料。
[0006]上述生物质碳气凝胶
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MnO
x
复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1，将萝卜原料切成块状置于水热釜中，在烘箱内进行水热碳化，合成的水凝胶块用去离子水反复洗以去除可溶性杂质；
步骤2，将水凝胶块置于冷冻干燥机中冷冻干燥；步骤3，取制得的水热碳置于卧式管式炉中，在升温、降温阶段通入N2作保护气，恒温活化阶段将N2切换为CO2做活化剂；步骤4，取制得的碳气凝胶浸渍在含有硝酸锰溶液的溶剂中,利用超声震荡仪震荡混合溶液，再置于烘箱中干燥；步骤5，将干燥后的样品置于管式炉中在空气氛围下煅烧，随后研磨过200目筛制得碳气凝胶/MnO
x
复合材料。
[0007]作为改进的是，步骤1中萝卜切块的大小为20 cm3，水热温度200℃，水热时间6 h。
[0008]作为改进的是，步骤2中冷冻干燥温度
‑
50℃，时间48h。
[0009]作为改进的是，步骤3中N2流速为600 mL/min，CO2流速为250 mL/min，升温速率10℃/min，活化温度800℃，活化时间2 h。
[0010]作为改进的是，步骤4中碳气凝胶质量为0.1 g，硝酸锰溶液的溶剂为无水乙醇，且无水乙醇体积为20 mL，硝酸锰的摩尔量为1.6mmol，震荡时间10 min，干燥温度105℃。
[0011]作为改进的是，步骤5中煅烧温度180℃，煅烧时间2h。
[0012]将上述碳气凝胶/MnO
x
复合材料在制备超级电容器上的应用。
[0013]作为改进的是，所述应用，将碳气凝胶/MnO
x
复合材料、乙炔黑、PTFE按照质量比8:1:1的比例混合于研钵中，加乙醇使其混合均匀，再取10 mg混合物涂抹于泡沫镍上，10 MPa的压强下压片30s，干燥后得含MnO
x
的生物质碳气凝胶复合电极。
[0014]有益效果：与现有技术相比，本专利技术一种生物质碳气凝胶
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MnO
x
复合电极材料的制备方法及其应用，在水热碳化
‑
CO2活化下实现三维结构碳气凝胶制备，同时以硝酸锰浸渍加空气煅烧法成功将MnO
x
生长在碳气凝胶碳骨架上，并将碳气凝胶/MnO
x
复合材料应用于超级电容器电极材料。
[0015]从以上描述可以看出，本专利技术具备以下优点：1. 原料来源广泛，将低成本、生长周期短的萝卜转化为具有高电容性能的复合电极材料，实现了生物质绿色资源化利用，电极材料中石墨烯等其他材料价格昂贵，无法实现商业化大规模应用，萝卜碳气凝胶是一种优良的生物质电极材料；2. 采用CO2活化增强了三维碳气凝胶的多孔结构，有利于提高其电容行为，也为MnO
x
的生长提供了空间，且该活化工艺绿色简单，减少化学试剂的使用，降低环境污染；3. 采用简单的硝酸锰浸渍和空气煅烧就成功形成MnO
x
的碳骨架均匀生长，合成材料能够发挥碳气凝胶的双电层电容特性以及MnO
x
的赝电容法拉第反应，大大提高了合成材料的电容性能。
附图说明
[0016]图1为实施例1制备的碳气凝胶/MnO
x
复合材料的流程图；图2为实施例1制备的碳气凝胶/MnO
x
复合材料的SEM图；图3为实施例1制备的碳气凝胶/MnO
x
复合材料的TEM图；图4为实施例1制备的碳气凝胶/MnO
x
复合材料的图，（a）为XRD，（b）为Raman图；图5为实施例1制备的碳气凝胶/MnO
x
复合材料的XPS图；
图6为实施例1制备的碳气凝胶/MnO
x
复合电极的三电极系统（a）CV，（b）GCD图；图7为实施例1制备的碳气凝胶/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质碳气凝胶
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MnO
x
复合电极材料的制备方法，其特征在于，将萝卜通过水热炭化、冷冻干燥，并在CO2气氛下活化合成整体式碳气凝胶；再将碳气凝胶浸渍在硝酸锰溶液中，再在空气氛围下煅烧，实现了碳骨架上MnO
x
的生长，即得碳气凝胶/MnO
x
复合电极材料。2.根据权利要求1所述的一种生物质碳气凝胶
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MnO
x
复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将萝卜原料切成块状置于水热釜中，在烘箱内进行水热碳化，合成的水凝胶块用去离子水反复洗以去除可溶性杂质；步骤2，将水凝胶块置于冷冻干燥机中冷冻干燥；步骤3，取制得的水热碳置于卧式管式炉中，在升温、降温阶段通入N2作保护气，恒温活化阶段将N2切换为CO2做活化剂；步骤4，取制得的碳气凝胶浸渍在含有硝酸锰溶液的溶剂中,利用超声震荡仪震荡混合溶液，再置于烘箱中干燥；步骤5，将干燥后的样品置于管式炉中在空气氛围下煅烧，随后研磨过200目筛制得碳气凝胶/MnO
x
复合材料。3.根据权利要求2所述的一种生物质碳气凝胶
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MnO
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复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中萝卜切块的大小为20 cm3，水热温度200℃，水热时间6 h。4.根据权利要求2所述的一种生物质碳气凝胶
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MnO
x
复合电极材料的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭飞强，周惠明，占银玻，田倍乐，董亦琛，杜世麟，钱琳，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：