一种MnO2基超级电容器电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种MnO2基超级电容器电极材料及其制备方法，属于超级电容器技术领域。该电极材料由纳米多孔Ag负载MnO2而构成，其制备方法包括下述步骤：首先，将摩尔比为1:4的银

【技术实现步骤摘要】
一种MnO2基超级电容器电极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于超级电容器
，具体涉及一种MnO2基超级电容器电极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能装置，具有容量大、功率密度高、绿色环保的特点。超级电容器的性能主要取决于其电极材料，MnO2因含量丰富、价格低廉、环保无害等优点，成为最具潜力的超级电容器电极材料之一。但MnO2在充放电过程中体积变化较大，结构不稳定且导电性差，严重阻碍了其实际应用。
[0003]近年来，人们常将MnO2与碳基材料(如碳纳米管、多孔碳及石墨烯等)复合来改善其电化学性能。例如，Jia等使用水热合成法在MnO2纳米片结构上原位合成介孔结构碳纳米管，所得CNTs/MnO2复合材料在1A/g电流密度下的比电容可以达到1131F/g，以10A/g的电流密度在0～1V之间进行充放电10000次后电容保持率仍为94.4％[H.Jia,Y.F.Cai,X.H.Zheng,et al.ACS Applied Materials&Interfaces,2018,10(45):38963]。但其制备工艺复杂，条件苛刻，不适合工业化生产。除了碳基材料，MnO2还可与导电聚合物(如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚噻吩衍生物)进行复合。例如，Wang等采用可控电聚合工艺在巴基纸上合成聚苯胺纳米刺，利用聚苯胺纳米刺垂直生长和巴基纸优异力学性能的协同效应，缓解了MnO2/聚苯胺在充放电过程中因体积变化造成循环稳定性差的不足[X.N.Wang,H.L.Wei,X.Z.Liu,et al.Nanotechnology,2019,30(32):325401]。但是过量的聚苯胺沉积，会阻止电解质离子进入活性材料之间的孔洞，使比电容下降。另有研究报道，冯松等以碳纳米纤维(CNF)为模板，通过热处理去除材料中的CNF，制备出多孔结构的MnO2，增加了比电容[冯松,周相府,周密秘,等.化工技术与开发,2018,47(4):14]。但其工艺较繁琐，成本高。为了更好地满足超级电容器电极材料高性能、低成本和易于规模化生产等方面的需求，开发优良的电极材料及其制备方法仍是该领域的重点。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有超级电容器电极材料的不足，提供了一种制备工艺简单、性能优良的MnO2基超级电容器电极材料及其制备方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]本专利技术所提供的MnO2基超级电容器电极材料由纳米多孔Ag负载MnO2而构成。
[0007]本专利技术所提供的电极材料的制备方法包括下述步骤：
[0008](1)将摩尔比为1:4的银片和锌粒熔炼成银
–
锌合金，并机械粉碎成粒度小于200目的粉末；
[0009](2)将步骤(1)所得的合金粉末先后倒入30℃的硫酸溶液和盐酸溶液中分别腐蚀4h，并洗涤干燥，获得纳米多孔Ag粉末；
[0010](3)将步骤(2)所得的纳米多孔Ag粉末加入到无水乙醇中并搅拌；
[0011](4)将高锰酸钾溶于蒸馏水中，然后逐滴加入到步骤(3)的乙醇溶液中充分反应，得到还原产物；所述高锰酸钾与步骤(3)中纳米多孔Ag的质量比为0.9～3.6:1；
[0012](5)将步骤(4)所得的还原产物经去离子水和无水乙醇洗涤后，进行真空干燥，即可获得纳米多孔Ag负载MnO2电极材料。
[0013]进一步的，所述步骤(2)中硫酸溶液浓度为1mol/L，盐酸溶液浓度为12mol/L。
[0014]进一步的，所述步骤(4)中高锰酸钾水溶液的浓度为30mg/mL。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0016](1)本专利技术通过化学去合金化法得到纳米多孔Ag粉末，再用乙醇还原高锰酸钾，得到纳米多孔Ag作为基体负载MnO2的电极材料。纯相MnO2在多次充放电过程中，结构不稳定，自身发生分解导致结构崩塌，使其比电容衰减较快。而对于纳米多孔Ag负载MnO2的电极材料，纳米多孔Ag具有稳定的结构和丰富的孔洞，可以有效抑制MnO2在充放电时发生的体积膨胀，从而提高电极材料的循环稳定性能。同时，负载在纳米多孔Ag上的MnO2材料有良好的电接触，可以依靠纳米多孔Ag的三维网络结构快速地传输电荷。另外，纳米多孔Ag的丰富孔道和高的比表面积还可为MnO2提供更多的活性位点。
[0017](2)所提供的超级电容器电极材料具有优良的电化学性能。在0.25A/g电流密度下的比电容可达312F/g；在4A/g电流密度下循环1000次后，比电容保持率可达87.2％，循环稳定性好。
[0018](3)所提供的超级电容器电极材料在电极制备时无需添加导电剂，降低了电极制备成本。
[0019](4)所提供的超级电容器电极材料的制备方法工艺简单，安全可靠，易于规模化生产。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例1、2和3中所得纳米多孔Ag负载MnO2电极材料的X射线衍射图谱。
[0021]图2为本专利技术实施例1中所得纳米多孔Ag负载MnO2电极材料的扫描电镜照片。
[0022]图3为本专利技术实施例1中所得纳米多孔Ag负载MnO2电极材料(a)和纯MnO2电极材料(b)在不同电流密度下的恒流充放电曲线。
[0023]图4为本专利技术实施例1、2和3中所得纳米多孔Ag负载MnO2电极材料在4A/g电流密度下的循环性能曲线。
具体实施方式
[0024]以下结合附图和具体实施例详述本专利技术，但本专利技术不局限于下述实施例。
[0025]实施例1
[0026]将摩尔比为1:4的银片和锌粒熔炼成银
–
锌合金，并机械粉碎成粒度小于200目的粉末，将所得的合金粉末先后倒入30℃的1mol/L的硫酸和12mol/L的盐酸溶液中分别腐蚀4h，并洗涤干燥，获得纳米多孔Ag粉末。再向200mL的乙醇溶液中加入200mg的纳米多孔Ag粉末，在以600r/min转速进行磁力搅拌时，逐滴加入180mg浓度为30mg/mL的高锰酸钾水溶液，并充分反应。最后，将还原反应后的沉淀物用去离子水和无水乙醇洗涤后，进行真空干燥，
即可获得所述的纳米多孔Ag负载MnO2超级电容器电极材料(np
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Ag/MnO2‑
1)。由图1a可见，电极材料中MnO2结晶度较低，具有较小的晶粒尺寸。由图2可见，电极材料具有疏松的多孔结构。在不添加导电剂的条件下，由图3可以看出，np
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Ag/MnO2‑
1电极材料恒流充放电曲线大致呈三角形，可逆性好，在0.25A/g电流密度下的比电容为312F/g，相比较，没有负载于多孔Ag的纯MnO2在0.25A/g电流密度下的比电容仅为139F/g。由图4可见，在4A/g电流密度下循环1000次后，np
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Ag/MnO2‑
1电极材料的比电容保持率为87.2％，循环稳定性好。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MnO2基超级电容器电极材料，其特征在于，该电极材料由纳米多孔Ag负载MnO2而构成。2.如权利要求1所述的一种MnO2基超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将摩尔比为1:4的银片和锌粒熔炼成银
–
锌合金，并机械粉碎成粒度小于200目的合金粉末；(2)将步骤(1)所得的合金粉末先后倒入30℃的硫酸溶液和盐酸溶液中分别腐蚀4h，并洗涤干燥，获得纳米多孔Ag粉末；(3)将步骤(2)所得的纳米多孔Ag粉末加入到无水乙醇中并搅拌；(4)将高锰酸钾溶于蒸馏水中，然后逐滴加...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳东明，郑慧，季小龙，张月，李永涛，斯庭智，张庆安，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：