[发明专利]四氧化三锰纳米片共嵌入石墨烯纳米片复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开四氧化三锰纳米片共嵌入石墨烯纳米片复合材料及其制备方法，采用超声和水解相结合的方法，使用乙醇胺进行络合，形成乙醇胺与锰离子的络合体，然后在室温下与石墨烯悬浮液进行水解，形成了四氧化三锰纳米片共嵌入石墨烯纳米片复合材料。通过控制四氧化三锰的形貌结构大大提高了锰氧化物基材料的循环稳定性，缩短了电解液离子的扩散距离和电子的传输距离，并且为氧化还原反应提供更活跃的位点，从而提高了材料的稳定性，和在充放电过程中的循环稳定性，近一步提高材料的比容量。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，更加具体地说，涉及提供一种四氧化三锰纳米片共嵌入石墨烯纳米片复合材料的制备和应用。

背景技术

随着科学技术的不断进步，人们生活水平不断地提高以及能源的日益枯竭，开发清洁，高效的储能器件成为关注的热点。超级电容器，又叫电化学电容器，它是介于电池(拥有高的能量密度)和传统电容器(拥有高的输出功率)之间的一种快速充放电能源储存器件。超级电容器可以通过快速的充电能力来提高再生制动，通过快速的放电能力来提供更大的加速度，从而使其在混合动力汽车和纯电力汽车动力方面拥有很大的商业潜力。另外，长的循环使用寿命、快速的充放电能力以及其绿色清洁的性质，使得超级电容器在国防、航空航天、便携通讯设备等领域有着广泛的应用前景。

迄今为止，根据电荷储存方式的不同，超级电容器可以分为双电层电容器(EDLC)和赝电容电容器两类。双电层电容器的电荷存储是由两个电极、电解液及隔膜组成的。其中，电极材料一般是具有高比表面积的多孔材料，在对双电层电容器充电后，在固体电极和接近电极的电解液中会形成电荷数量相同、符号相反的充电层；放电时，由于电子从负极流向正极，两电极表面的电势恢复到等值，接近电极的电解液中的正负电荷分别脱离其表面，中和、回到原来的电解液中去，像这样没有电荷穿过电极/电解液界面，电极和电解液之间没有发生离子交换，同时在充放电的过程中电解液的浓度没有发生任何变化的储能原理即为双电层储能机理。赝电容电容器，又叫法拉第电容器，与双电层电容器相比，二者存在明显的不同。当对赝电容电容器充电时，电极上的活性材料将会发生快速可逆的法拉第反应(氧化还原反应)。在赝电容电容器电极表面将会发生三种法拉第行为，可逆吸附、可逆的氧化还原反应及可逆的电化学掺杂—去掺杂(导电聚合物电极)过程。事实证明，电极上的氧化还原过程不仅可以增大工作电极的电势窗口，而且可以大幅提高超级电容器的比电容值。与双电层电容器相比，赝电容电容器在其电极表面和内部都可以产生电化学行为，从而提高了比电容值和能量密度。

目前，超级电容器电极材料分为碳电容材料以及赝电容材料。其中基于氧化还原反应的赝电容材料相对于双电层电容的碳材料来说具有更高的理论容量，有望达到更高的能量密度，由于赝电容的存储只发生在电极材料的表面及近表面区域，且赝电容材料本身导电性比较差，因而材料的倍率性能较差并且利用率较低，不能满足电化学电容器各方面的性能要求。四氧化三锰由于其自然界储量丰富，成本低，性能优异而成为研究的热点。Fan等人将四氧化三锰应用于锂离子电池，制备的材料比容量达到667.9mA h g^-1。然而，由于锰氧化物的导电性较差，限制了其在此方面的进一步发展。目前，将四氧化三锰与导电性良好的碳材料进行复合，是提高四氧化三锰电化学性能的重要手段。石墨烯作为一种导电性良好，可以大规模工业化制备，并且廉价，环境友好的碳材料，已被广泛用于超级电容器电极材料及锂离子电池的导电添加剂。通过四氧化三锰与石墨烯共嵌结构充分发挥了两者的优势，不仅有效提高复合材料的导电性，而且使其电化学性能、循环稳定性得到较大的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供四氧化三锰纳米片共嵌入石墨烯纳米片复合材料及其制备方法，采用超声技术将硫酸锰与乙醇胺进行络合形成含锰复合物，加入石墨烯溶液，利用水解形成不稳定的氢氧化锰，然后在空气中搅拌进一步被氧化，再以水合肼进行还原，从得到四氧化三锰纳米片共嵌入石墨烯纳米片。制备的复合材料具有优异的分散性、导电性及稳定性，并且比容量大大提高。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：