[发明专利]聚苯胺—二氧化锰复合材料及其制备方法和在电化学储能领域的应用

说明书

本发明公开聚苯胺—二氧化锰复合材料及其制备方法和在电化学储能领域的应用，将二氧化锰纳米薄片通过高锰酸钾的氧化还原反应沉积在T‑PANI凝胶的表面上，合成具有同轴中空纳米结构的聚苯胺—二氧化锰复合材料。本发明二氧化锰与聚苯胺复合，通过协同效应提高其导电性和比表面积，提供一种极具应用前景的电极材料。

技术领域

本发明涉及新型功能材料制备和电化学储能技术领域，更加具体地说，涉及一种聚苯胺—二氧化锰复合材料及其制备方法和在电化学储能领域的应用。

背景技术

随着电子产品的快速发展，环境问题日益严重，并在全球范围内引起越来越多的关注，因此，必须开发清洁能源设备，例如超级电容器。超级电容器(SC)，也称为电化学电容器，由于其高功率密度，快速充放电性能和长循环寿命，是非常有前景的能量存储装置。然而，SC的能量密度低于传统的可充电电池，因此其开发和应用受到限制。到目前为止，研究人员正在深入研究新型电极材料，以实现高储能性能。

金属氧化物具有高理论容量，例如Co₃O₄，RuO₂，MnO₂等。二氧化锰(MnO₂)储量丰富，成本低，环境无害，理论容量高，是最有前景的氧化还原活性物质。但是，MnO₂的导电性差和比表面积导致实际比容量降低。因此，采取措施提高其电化学性能是主要的研究方向。通常，制备基于MnO₂，碳材料和导电聚合物的复合材料以克服缺陷。

导电聚合物是一种具有良好导电性的材料，尤其是聚苯胺(PANI)，其广泛用于许多领域，例如电极，传感器和防污材料。由于PANI具有成本低，环境稳定性好，合成方法简单等优点，因此可用于制备复合电极材料。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，由于MnO₂的导电性差和比表面积导致实际比容量降低，提供了一种聚苯胺—二氧化锰复合材料及其制备方法和在电化学储能领域的应用，具体是指采用了一种新型交联剂TPPS制备具有网络结构的聚苯胺凝胶，然后通过一步水热法，将高锰酸钾(KMnO₄)的还原为二氧化锰(MnO₂)纳米薄片，并沉积在聚苯胺(PANI)凝胶的表面上，合成具有同轴中空纳米结构的聚苯胺—二氧化锰 (PANI/MnO₂)复合材料，通过聚苯胺的协同作用，提高二氧化锰材料的导电性和比表面积，使其具有优异的电化学性能，具有用作电极材料的应用前景的可能性。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

聚苯胺—二氧化锰复合材料及其制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，在冰水浴的条件下，将四苯基卟啉磺酸盐(TPPS)和苯胺溶解于水中得到混合溶液，在搅拌的条件下，将过硫酸铵(APS)水溶液加入上述混合溶液中，进行聚合反应，聚合时间为20-60s，清洗干燥后，最终得到聚苯胺(PANI)凝胶，其中，四苯基卟啉磺酸盐(TPPS)、苯胺和过硫酸铵(APS)的质量比为1:(30-60):(30-60)，苯胺的浓度为0.1-0.5mol/L；

步骤2，将步骤1得到的聚苯胺(PANI)凝胶分散到高锰酸钾(KMnO₄)水溶液中，调节上述悬浮液的p H值为1-2，并将上述悬浮液置于100-150℃下，水热处理10-30min，将沉淀物清洗干燥后，得到聚苯胺—二氧化锰(PANI/MnO₂)复合材料，其中，高锰酸钾(KMnO₄)水溶液的浓度为0.005-0.04mol/L。

在步骤1中，四苯基卟啉磺酸盐(TPPS)、苯胺和过硫酸铵(APS)的质量比为1: (40-50):(40-50)，苯胺的浓度为0.2-0.4mol/L，聚合时间为25-35s，聚苯胺(PANI) 凝胶浸入蒸馏水中22-30h以除去过量的APS，将聚苯胺(PANI)凝胶在50-70℃真空下进行干燥，最终得到聚苯胺(PANI)凝胶。