[发明专利]一种共组装制备MnO2

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种共组装制备MnO₂/石墨烯复合材料的方法及其应用。所述共组装制备MnO₂/石墨烯复合材料的方法，包括：以石墨片作为阳极，泡沫镍作为阴极，硫酸钠与高锰酸钾的混合溶液作为电解液，采用电化学一步法，共组装生成石墨烯/二氧化锰的复合材料。所述方法解决了该类复合电极的传统制备过程中存在的制备环节繁琐、成本高及环境污染的问题；同时还可以节省该类复合电极的制备时间及成本，实现环境友好。本发明所得3D MnO₂/石墨烯复合材料可用于超电容电极，使其获得更佳优异的电容，在1A/g下为607F/g，高倍率性能和超循环稳定性，10000次充电‑放电循环后为94.1％。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种共组装制备MnO₂/ 石墨烯复合材料的方法及其应用。

背景技术

现有制备石墨烯/MnO₂复合电极材料的方法存在制备过程繁琐、耗时、成本高及产品无法实现超级电容器电极高比容量，超长循环周期的问题。

目前常用的解决方法是利用电化学的方法，以三维多孔泡沫镍为基体，在基体上直接生长石墨烯。但是这种方法存在如下缺点：1、制备石墨烯复合电极的步骤仍非一步法；2、复合电极呈现核-壳 (core-shell)结构，无法实现石墨烯与二氧化锰(MnO₂)的共生。

此外，还有一种方法是先采用化学法将石墨烯与泡沫镍复合，尔后利用水热法制备石墨烯基复合电极的前驱材料，最后利用还原性气体低温煅烧上述的前驱材料。但方法存在制备过程复杂，成本高，无法实现工业化生产，电极结构整体稳定性欠佳，经更高次充放电测试后电容量的保持不容乐观等缺点。

发明内容

为了解决电化学制备石墨烯/MnO₂复合电极材料过程中存在的问题(非一步法以及无法共生)，本发明提出一种共组装制备MnO₂/ 石墨烯复合材料的方法，所述方法解决了该类复合电极的传统制备过程中存在的制备环节繁琐、成本高及环境污染的问题；同时还可以节省该类复合电极的制备时间及成本，实现环境友好。

所述共组装制备MnO₂/石墨烯复合材料的方法，包括：以石墨片作为阳极，泡沫镍作为阴极，硫酸钠与高锰酸钾的混合溶液作为电解液，采用电化学一步法，共组装生成石墨烯/二氧化锰的复合材料。

本发明通过电化学一步法使石墨片发生剥离，形成电化学剥离石墨烯(EG)溶于电解液中；同时电解液中的MnO₄^-失去电子被还原为二氧化锰纳米片(MnO₄^-+2H₂O+3e-MnO₂+4OH^-)；尽管EG 具有高质量，但是由电化学辅助剥离得到的所得石墨烯在其边缘处仍然具有负电荷，这将促使EG和二氧化锰纳米片通过静电作用同时沉积在阴极泡沫镍上，从而得到高质量的EG和超薄MnO₂纳米片。

由于采用了电化学一步法共组装的技术手段，克服了传统石墨烯/二氧化锰(MnO₂)复合电极材料中两相无法实现微观结构的多级共生问题，同时极大降低了制备新型石墨烯复合电极材料的时间成本，达到快速制备高性能超级电容器电极的目的。

所述电化学一步法的制备过程中，所用直流电电源的电压为 5-15伏，优选10伏。试验表明，当直流电源电压在10伏时，通过电镜表征，形成的EG与二氧化锰的复合材料整体复合程度最优。

所述电解液中，所述硫酸钠的摩尔浓度为0.05-0.2M，优选0.1M；所述高锰酸钾的摩尔浓度为0.1-0.5M，优选0.3M。经试验验证，在此条件下所得复合材料的性能更好。

所述石墨片作为阳极的尺寸可根据实际制作需要而定，例如 2.0*1.0平方厘米。