本发明专利技术涉及一种富杂化界面的无定形MnO2/聚吡咯基超级电容器电极材料制备方法及电极材料的应用，材料由MnO2超薄纳米片(组装体)和均匀的聚吡咯涂层所构成，复合片层尺寸约为50nm，厚度约为1.5nm，且该复合片层(组装体)均匀垂直耦合于碳纤维基底表面，导电聚合物和碳纤维为MnO2提供了丰富的快速电子传输通道，强化了储电的反应动力学；无定形MnO2纳米片具有短程有序的特征，实现了导电聚合物的分子级耦合，构建了丰富的有机/无机杂化界面，最大程度上调控了MnO2的电子结构，从而大幅增强了活性MnO2的本征反应活性，最终实现了在1.2V宽电压窗口下比容量、倍率性能和循环稳定性的显著增强。强。强。
【技术实现步骤摘要】
富杂化界面的无定形MnO2/聚吡咯基超级电容器电极材料及制备方法和应用
[0001]本专利技术属于电容器电极材料及制备方法，涉及一种富杂化界面的无定形MnO2/聚吡咯基超级电容器电极材料及制备方法和应用；诱导短程有序的无定形MnO2原位合成及其与聚吡咯的分子级组装，构建丰富的有机/无机杂化界面，进而增强MnO2的电子传递和离子传输动力学并提升其本征反应活性。
技术介绍
[0002]超级电容器具有高功率、长寿命和环境友好等优点，是未来能源系统的重要组成部分。发展高性能超级电容器技术的关键在于开发廉价高效且结构稳定的新型电极材料，解决电极的本征传质/传荷动力学问题。相对于通过静电吸/脱附存储电荷的双电层型电极材料，赝电容材料可通过快速的氧化还原反应实现更高效的电荷存储，具有广阔的发展前景。作为赝电容材料的典型代表，过渡金属(氢)氧化物具有廉价易得、本征活性优良且无生物毒性等特点而广受青睐。然而，受自身微结构的影响，此类材料所展现出的实际比容量往往远低于其理论值，使其发展应用受限。
[0003]围绕上述问题，电氧化被用于诱导过渡金属(氢)氧化物原位拓扑结构演变，原位构造富离子孔道和活性位点的高活性材料。但传统的电化学氧化过程往往将产生局部强酸/碱环境，并伴随产生负反应或活性组分溶出，使其难以大规模推广使用。更重要的是，电氧化后的微结构仍然存在导电性差、结构不稳定等问题，不利于其高性能、长续航使用。实现电化学氧化的系统优化，进而全面优化过渡金属(氢)氧化物的反应活性和动力学特性，对于电化学储能领域的发展进步具有重要意义。
[0004]据此，本专利技术以Mn(OH)2作为基本构筑单元，提出一种电氧化耦合电聚合的协同调控技术，利用电氧化衍生的富缺陷、短程有序型MnO2结构，为吡咯的电聚合提供丰富的成核位点，实现MnO2与聚吡咯的分子级耦合，构建丰富的有机/无机杂化界面。这种富杂化界面的复合材料优势显著：一方面，聚吡咯引入的丰富导电网络可加快活性组分的传荷速率；另一方面，丰富的杂化界面实现了界面的强相互作用，可显著调控MnO2的本征反应活性，最终大幅改善其比容量、倍率性能和循环稳定性。本专利技术所提出的技术操作成本低、可控性强、适用范围广，可实现一系列过渡金属(氢)氧化物的结构调控，在电化学储能及相关领域具有较强的应用前景。
技术实现思路
[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种富杂化界面的无定形MnO2/聚吡咯基超级电容器电极材料制备方法及电极材料的应用。本专利技术的目的是建立一种电氧化
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电聚合协同调控的新型电化学技术，制备一类无定形MnO2/聚吡咯的复合电极材料。该复合电极材料可实现MnO2和聚吡咯的分子级组装，制作工艺简便，成本低廉，可同时实现高电
容、高倍率和优异的稳定性。
[0007]技术方案
[0008]一种无定形MnO2/聚吡咯型电极材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
[0009]步骤1、Mn(OH)2前驱体的制备：
[0010]步骤a：以碳纤维纸为工作电极，以饱和甘汞电极SCE、铂片电极为参比电极何对电极，以硫酸钠溶液为电解液；设定反应条件为恒电压1.5V，对碳纤维纸进行预处理；
[0011]步骤b：改换电解液为去离子水中加入硝酸锰溶液，将预处理的碳纤维为工作电极，以饱和甘汞电极SCE、铂片电极为参比电极和对电极；设定反应条件为恒电压
‑
1.5V，对预处理的碳纤维继续处理得到碳纤维负载的氢氧化锰前驱体；
[0012]步骤2、无定形MnO2/聚吡咯复合材料的制备：以碳纤维负载的氢氧化锰前驱体为工作电极，以饱和甘汞电极SCE和铂片电极分别作为参比电极和对电极，吡咯和无水硫酸钠和去离子水作为电解液，设定反应电压为1.5V，待处理2s
‑
10min后，用去离子水和无水乙醇多次洗涤，待自然晾干得到无定形MnO2/聚吡咯复合材料；
[0013]所述碳纤维做为工作电极时需采用铂电极夹固定。
[0014]所述步骤a中硫酸钠溶液的浓度为1mol/L。
[0015]所述步骤a中对碳纤维纸进行处理1min后，用去离子水和无水乙醇多次洗涤后自然晾干、完成预处理。
[0016]所述步骤b中硝酸锰溶液的浓度为50wt％。
[0017]所述步骤b中硝酸锰溶液与去离子水的用量为：50mL的去离子水中加入358mg的硝酸锰溶液。
[0018]所述步骤b中对预处理的碳纤维待的继续处理10min后，用去离子水和无水乙醇多次洗涤后自然晾干，得到碳纤维负载的氢氧化锰前驱体。
[0019]所述步骤2中吡咯和无水硫酸钠和去离子水的用量为30mg的吡咯和7.1g无水硫酸钠以及50mL去离子水。
[0020]一种所述制备方法得到的富杂化界面的无定形MnO2/聚吡咯型电极材料，其特征在于：电极材料中的MnO2呈多孔的无定形结构，孔尺寸为1
‑
2nm，其表面被导电聚合物聚吡咯层均匀包覆，二者组装形成二维复合纳米片形貌；复合片层尺寸为30
‑
100nm，厚度为1
‑
2nm。
[0021]所述材料在碳纤维纸上的担载量为0.7
‑
1.2mg cm
‑2，聚吡咯包覆层和MnO2的质量比为10％
‑
15％。
[0022]一种富杂化界面的无定形MnO2/聚吡咯型电极材料的应用，其特征在于：用于超级电容器的电极，该复合电极材料在1mol L
‑1的Na2SO4电解液中，当电流密度为1A g
‑1时，比电容最高可达418F g
‑1，在100A g
‑1的电流密度下，电容保持率最高可达71％。其在10A g
‑1的电流密度下循环8000次后，电容保持率可达到82％。
[0023]有益效果
[0024]本专利技术提出的一种富杂化界面的无定形MnO2/聚吡咯基超级电容器电极材料制备方法及电极材料的应用，材料由MnO2超薄纳米片(组装体)和均匀的聚吡咯涂层所构成，复合片层尺寸约为50nm，厚度约为1.5nm，且该复合片层(组装体)均匀垂直耦合于碳纤维基底表面，导电聚合物和碳纤维为MnO2提供了丰富的快速电子传输通道，强化了储电的反应动
力学；无定形MnO2纳米片具有短程有序的特征，实现了导电聚合物的分子级耦合，构建了丰富的有机/无机杂化界面，最大程度上调控了MnO2的电子结构，从而大幅增强了活性MnO2的本征反应活性，最终实现了在1.2V宽电压窗口下比容量、倍率性能和循环稳定性的显著增强。
[0025]本专利技术的优点：在常规的电氧化处理下，Mn(OH)2前驱体可发生Mn
2+
到Mn
4+
的价态转变，形成无定形MnO2纯相，但由于无定形MnO2的导电性不佳且结构不稳定，其在1Ag
‑1的电流密度下，比容量仅为313F g
‑1，在100A g
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种无定形MnO2/聚吡咯型电极材料的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1、Mn(OH)2前驱体的制备：步骤a：以碳纤维纸为工作电极，以饱和甘汞电极SCE、铂片电极为参比电极何对电极，以硫酸钠溶液为电解液；设定反应条件为恒电压1.5V，对碳纤维纸进行预处理；步骤b：改换电解液为去离子水中加入硝酸锰溶液，将预处理的碳纤维为工作电极，以饱和甘汞电极SCE、铂片电极为参比电极和对电极；设定反应条件为恒电压
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1.5V，对预处理的碳纤维继续处理得到碳纤维负载的氢氧化锰前驱体；步骤2、无定形MnO2/聚吡咯复合材料的制备：以碳纤维负载的氢氧化锰前驱体为工作电极，以饱和甘汞电极SCE和铂片电极分别作为参比电极和对电极，吡咯和无水硫酸钠和去离子水作为电解液，设定反应电压为1.5V，待处理2s
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10min后，用去离子水和无水乙醇多次洗涤，待自然晾干得到无定形MnO2/聚吡咯复合材料；所述碳纤维做为工作电极时需采用铂电极夹固定。2.根据权利要求1所述无定形MnO2/聚吡咯型电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤a中硫酸钠溶液的浓度为1mol/L。3.根据权利要求1所述无定形MnO2/聚吡咯型电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤a中对碳纤维纸进行处理1min后，用去离子水和无水乙醇多次洗涤后自然晾干、完成预处理。4.根据权利要求1所述无定形MnO2/聚吡咯型电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤b中硝酸锰溶液的浓度为50wt％。5.根据权利要求1所述无定形MnO2/聚吡咯型电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤b中硝酸锰溶液与去离子水的用量为：50mL的去离子水中加入358mg的硝酸...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭威，张秋禹，张宝亮，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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