[发明专利]一种二氧化锰—多孔碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种二氧化锰—多孔碳复合材料及其制备方法和应用，利用多孔碳还原KMnO₄并在多孔碳表面得到了一种均匀的MnO₂纳米颗粒，从而进一步改善MnO₂的导电性，减少其在电化学循环过程中的结构破坏。在0.5Ag^‑1的电流密度下，其容量可稳定在215F g^‑1。此方法有效改善了传统超级电容器电极材料MnO₂的低导电率，以及其在氧化还原循环过程中产生应力造成的粉化脱落现象。因此，MnO₂/多孔碳复合材料在改善超级电容器电极材料的导电率及稳定性方面具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，更加具体地说，涉及一种二氧化锰(MnO₂)/多孔碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

在21世纪，全球能源短缺是一个严峻的问题。一些绿色能源，如太阳能、风能、水力发电等正在取代化石燃料。电化学能源因其能量密度和能量转换效率高、可随意组装和移动、无噪声污染等优点，已经成为人们关注的焦点。超级电容器是一种新型绿色储能器件，具有比锂离子电池更高的功率密度，并且使用范围广，安全易维护等有点，因而在新能源领域受到广泛关注。目前，作为超级电容器电极材料的MnO₂，由于理论容量高达1232m Ah/g，且具有天然产量丰富、环境友好、成本较低等特点，在催化剂、传感器、电化学器件和超级电容器电极材料等领域都有广泛的应用和研究。但是由于它具有低导电率，以及其在氧化还原循环过程中产生应力造成的粉化、剥离和脱落现象等缺点限制了其应用。

在工业生产过程中影响超级电容器材料的应用有很多限制因素，其中环境原因和成本是考虑的首要因素。而理想的电极材料需具备较高的比容量以及良好的稳定性，碳材料便成为工业过程中最为关注的一类电极材料，同样也是研究最为深入的材料。多孔碳由于具有高的比表面积和优异的导电性能而得到了广泛关注。利用多孔碳提高MnO₂电极材料的导电性，并减少其在电化学循环过程中的结构破坏。因此，MnO₂/多孔碳复合材料在改善超级电容器电极材料的导电率及稳定性方面具有广泛的应用前景，同时也可应用于超级电容器等储能设备，并有希望应用于传感器等领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种二氧化锰—多孔碳复合材料及其制备方法和应用，即提供了一种利用多孔碳还原KMnO₄，并在多孔碳表面得到了一种均匀的MnO₂纳米颗粒，从而进一步改善MnO₂的导电性，减少其在电化学循环过程中的结构破坏，有效改善了传统超级电容器电极材料MnO₂的低导电率，以及其在氧化还原循环过程中产生应力造成的粉化脱落现象。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种二氧化锰—多孔碳复合材料及其制备方法，以多孔碳还原高锰酸钾得到二氧化锰纳米颗粒并在多孔碳表面均匀分布，按照下述步骤进行：

将多孔碳均匀分散在水中形成多孔碳的悬浮液，向悬浮液中加入KMnO₄和Na₂SO₄并在搅拌条件下散在利用多孔碳还原KMnO₄，并在多孔碳表面得到了一种均匀的MnO₂纳米颗粒，KMnO₄和碳元素的摩尔比为(1.5—2.5)：1，硫酸钠作为模板剂，对还原得到的二氧化锰进行形貌控制，浓度为0.1-0.5mol/L。

在上述技术方案中，选择超声搅拌或者机械搅拌，速度为每分钟200—500转。

在上述技术方案中，反应结束后，将所得产品用蒸馏水洗涤，120-150℃下真空干燥。