一种三维堆叠氧化锰电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用技术

本发明专利技术涉及一种三维堆叠氧化锰电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用。本发明专利技术首先通过表面活化的方法提高碳布基底的容量，然后通过循环伏安电沉积技术在碳布的表面原位合成超高负载量的三维堆叠氧化锰纳米线，通过对沉积圈数的调控，提高电极材料的比电容。本发明专利技术的优势是操作简单，制备时间短，在处理过的碳布上可得到均匀分布的超高负载量的三维结构氧化锰电极材料，具有良好的储能性能。具有良好的储能性能。具有良好的储能性能。

A three-dimensional stacked manganese oxide electrode material and its preparation method and application in supercapacitors

【技术实现步骤摘要】
一种三维堆叠氧化锰电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用


[0001]本专利技术属于新能源
，具体涉及一种三维堆叠氧化锰电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用。

技术介绍

[0002]近几年来，随着不可再生燃料的逐渐枯竭，发展高效可靠的电化学储能系统变得越来越重要。超级电容器作为一种新型的电化学储能设备，因其高功率密度与长循环寿命等优势，展现出取代不可再生能源的巨大潜力。然而超级电容器的缺点是能量密度较低，为提高超级电容器的能量密度，研究人员采用具有法拉第赝电容的过渡金属氧化物作为电极材料，以提高超级电容器的能量密度。过渡金属氧化物因其高理论电容、较高的自然储量及低成本，成为了炙手可热的超级电容器电极材料。
[0003]氧化锰(MnO
x
)作为一种典型的低成本的电极材料，具有电位窗口宽(约为1V)、原料来源丰富、对环境友好等特点，并且三维纳米结构的MnO
x
以其价廉易得、低毒环保、适用于温和的水性电解质、具有较大的比表面积及较高的赝电容等特点显示出了其作为电极材料的优势。然而，目前报道的氧化锰电极材料虽然具有较高的比电容，但其电极材料的负载量普遍低于2mg/cm2，如此低的负载量导致其存储的能量有限，限制了氧化锰材料的实际应用，因此，通过灵活可控的电化学技术，合成出具有超高负载量的氧化锰电极材料具有重要的科学意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对上述技术问题，提供了一种三维堆叠氧化锰电极材料及其制备方法和在超级电容器中的应用。
>[0005]本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种三维堆叠氧化锰电极材料，其制备方法包括如下步骤：
[0007]1)将碳布用无水乙醇冲洗，然后放入去离子水中超声清洗5min，之后置于真空干燥箱中干燥；
[0008]2)在三电极体系中，以经步骤1)处理后的碳布为工作电极，碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在1M KNO3电解液中采用恒电位法将碳布活化，活化后的碳布用去离子水清洗；
[0009]3)在三电极体系中，以经步骤2)处理后的碳布为工作电极，碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在3M KCl电解液中采用循环伏安法恢复碳布导电性，将恢复导电性的碳布用去离子水浸泡3min，然后放入真空干燥箱中干燥；
[0010]4)在三电极体系中，以经步骤3)处理后的碳布为工作电极，碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，以醋酸锰和乙酸铵的混合溶液为电解液，采用循环伏安法对碳布进行氧化锰的电沉积，在0～1V的电位范围内，以10～50mV s
‑1的扫速进行循环伏安扫描，扫描圈
数为10～50圈，得到沉有锰氧化合物的碳布；
[0011]5)将步骤4)得到的沉有锰氧化合物的碳布在去离子水中浸泡3min，然后放入真空干燥箱中干燥，得到三维堆叠氧化锰电极材料。
[0012]进一步的，上述的一种三维堆叠氧化锰电极材料，步骤2)中，所述恒电位法的条件：电位为1.8V，反应时间为30min。
[0013]进一步的，上述的一种三维堆叠氧化锰电极材料，步骤3)中，所述循环伏安法的条件：电位为
‑
1.2～1V，扫速为100mV s
‑1，扫描圈数为30～50圈。
[0014]进一步的，上述的一种三维堆叠氧化锰电极材料，步骤4)中，所述醋酸锰和乙酸铵的混合溶液，按摩尔比，醋酸锰:乙酸铵＝1:2。
[0015]进一步的，上述的一种三维堆叠氧化锰电极材料，步骤4)中，所述扫速为50mV s
‑1、20mV s
‑1或10mV s
‑1。
[0016]进一步的，上述的一种三维堆叠氧化锰电极材料，步骤4)中，所述扫描圈数为50圈、20圈或10圈。
[0017]进一步的，上述的一种三维堆叠氧化锰电极材料，步骤1)、步骤3)和步骤5)中，所述真空干燥箱中干燥的条件：温度为60℃，时间为12h。
[0018]上述的任意一种三维堆叠氧化锰电极材料在超级电容器中的应用。
[0019]本专利技术的有益效果为：
[0020]1、本专利技术采用优化碳布和电化学合成相结合的策略在碳布基底上原位生长具有高负载量的三维堆叠氧化锰纳米线，电化学原位合成技术操作简单，制备时间短，合成的三维堆叠氧化锰电极材料具备高比电容、高负载量、电位窗口宽、适用于温和的水性电解质等优点。
[0021]2、本专利技术制备的三维堆叠氧化锰电极材料分布均匀，以三维结构纳米线的形式生长在碳布纤维表面，在超高负载量下实现了均匀覆盖，未出现团聚现象，这种活性物质之间的结构有利于电解液的迅速扩散，增加材料的比表面积，表现出了更好的电化学性能。
[0022]3、由于碳布柔性、机械性能好、耐高温、耐腐蚀的优点，将碳布作为基底，通过优化碳布来增加碳布表面含氧官能团的数量，并且提升碳布的比表面积，提高容量。并且氧化锰作为一种典型的低成本的电极材料，使得三维堆叠氧化锰电极材料在超级电容器领域展现良好的前景。
附图说明
[0023]图1是实施例1制备的三维堆叠氧化锰电极材料的高倍和低倍扫描电镜图，其中，a是高倍图，b是低倍图。
[0024]图2是实施例2制备的三维堆叠氧化锰电极材料的高倍和低倍扫描电镜图，其中，a是高倍图，b是低倍图。
[0025]图3是实施例3制备的三维堆叠氧化锰电极材料的高倍和低倍扫描电镜图，其中，a是高倍图，b是低倍图。
[0026]图4是实施例4制备的三维堆叠氧化锰电极材料的高倍和低倍扫描电镜图，其中，a是高倍图，b是低倍图。
[0027]图5是实施例5制备的三维堆叠氧化锰电极材料的高倍和低倍扫描电镜图，其中，a
是高倍图，b是低倍图。
[0028]图6是实施例5制备的三维堆叠氧化锰电极材料的X射线衍射谱图。
[0029]图7是实施例1制备的三维堆叠氧化锰电极材料的10mV/s的循环伏安曲线和在不同电流密度下的充放电曲线，其中，a是循环伏安曲线，b是充放电曲线。
[0030]图8是实施例2制备的三维堆叠氧化锰电极材料的10mV/s的循环伏安曲线和在不同电流密度下的充放电曲线，其中，a是循环伏安曲线，b是充放电曲线。
[0031]图9是实施例3制备的三维堆叠氧化锰电极材料的10mV/s的循环伏安曲线和在不同电流密度下的充放电曲线，其中，a是循环伏安曲线，b是充放电曲线。
[0032]图10是实施例3、实施例4和实施例5制备的三维堆叠氧化锰电极材料在1mA/cm2电流密度下的充放电曲线。
[0033]图11是实施例1、实施例2和实施例3制备的三维堆叠氧化锰电极材料的负载量柱状图。
[0034]图12是实施例3、实施例4和实施例5制备的三维堆叠氧化锰电极材料的负载量柱状图。
具体实施方式
[0035]实施例1
[0036]一种三维堆叠氧化锰电极材料制备方法如下：
[0037]1)将碳布裁剪成1cm...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维堆叠氧化锰电极材料，其特征在于，制备方法包括如下步骤：1)将碳布用无水乙醇冲洗，然后放入去离子水中超声清洗5min，之后置于真空干燥箱中干燥；2)在三电极体系中，以经步骤1)处理后的碳布为工作电极，碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在1M KNO3电解液中采用恒电位法将碳布活化，活化后的碳布用去离子水清洗；3)在三电极体系中，以经步骤2)处理后的碳布为工作电极，碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在3M KCl电解液中采用循环伏安法恢复碳布导电性，将恢复导电性的碳布用去离子水浸泡3min，然后放入真空干燥箱中干燥；4)在三电极体系中，以经步骤3)处理后的碳布为工作电极，碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，以醋酸锰和乙酸铵的混合溶液为电解液，采用循环伏安法对碳布进行氧化锰的电沉积，在0～1V的电位范围内，以10～50mV s
‑1的扫速进行循环伏安扫描，扫描圈数为10～50圈，得到沉有锰氧化合物的碳布；5)将步骤4)得到的沉有锰氧化合物的碳布在去离子水中浸泡3min，然后放入真空干燥箱中干燥，得到三维堆叠氧化锰电极材料。2.根据权利要求1所述的一种三维堆叠氧化锰电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：马天翼，黄子航，李慧，杜斯佳，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：