[发明专利]一步法合成多孔MnO/C微球用于超级电容器电极材料

说明书

本专利涉及一种用于超级电容器电极材料的碳负载氧化锰的制备方法，针对实施例1附图2中的产物形貌，所得的MnO/C电极材料是具有许多纳米颗粒包覆构成的多孔微球结构，构成多孔微球结构的纳米微球直径约为2.5μm，电化学测试结果表明，在电流密度为0.1 A·g^‑1时，单电极的比容量达到104.9 mAh·g^‑1，当电流密度为1 A·g^‑1时，经过500次循环充放电，电极比容量的保持率为96.4%。

技术领域

本发明属于超级电容器器件技术领域，具体涉及一步法合成多孔MnO微球用于超级电容器电极材料。

背景技术

随着人类对能源的需求，科学家开发了各种先进的能量转换和存储装置，如锂离子电池、燃料电池和超级电容器。在各种类型的储能设备中，电化学超级电容器，引起了广泛的关注。超级电容器具有寿命长、充放电速度快、功率密度高等优点具有许多潜在的应用前景，其中电极材料是影响性能的关键，具有赝电容特性的金属氧化物已其价格低廉、自然丰度高、环境友好、理论比容量高等优点成为最近研究的热点，其中RuO₂电极材料的比电容可达788 F/g。但是由于材料价格过高，应用受到严重限制。

Mn系氧化物具有自然含量丰富及价格较低、环保友好等优点，有望替代RuO₂成为新型赝电容电极材料。其中二价锰系氧化物的开发在国内刚刚起步，Wang 等人采用一种简单的凝胶状薄膜辅助法，在碳布上制备了平均粒径为80、41、20、15和9 nm的均匀可调的MnO颗粒并探索出中等粒径的纳米粒子(20 nm)表现出最好的性能，而且优化后的MnO/碳布电极具有良好的柔韧性和较高的导电性与稳定性，在功率密度可达到450 W/kg。尽管如此，锰氧化物材料存在利用率低，离子/电子导电性差，小颗粒的团聚易造成低比表面积等缺陷。为解决上述问题，一种有效的策略是利用碳质基体构建纳米复合材料，可以大大改善材料的导电特性，降低内阻，从而提高电容性能。

申请公开号为CN201610470858.3的发明专利公开一种利用激光一步原位还原氧化石墨烯、分解锰化合物制备石墨烯/氧化锰柔性电极的方法，具体公开了将氧化石墨烯的水溶液与锰的氧化物均匀混合，涂布在柔性基底上，在惰性气氛保护下利用激光照射，使氧化石墨烯被激光还原成石墨烯的同时,锰化合物受热分解得到氧化锰材料。上述专利的目的都在于提高锰氧化物材料的比容量，但制备的方法复杂，所得产物比表面积受限等缺陷仍是限制高性能电极材料进一步应用的关键。本发明以多巴胺为碳源，一步实现锰前驱体碳酸锰和聚多巴胺的合成，并经过惰性气体N₂保护下，煅烧实现碳掺杂的MnO的制备。

发明内容

本发明以MnSO₄为锰源，以NaHCO₃为沉淀剂，室温下快速合成MnCO₃，通过多巴胺的修饰高温煅烧碳化得到MnO/C多孔分级结构微球，制备的MnO/C应用于超级电容器电极材料，为二价锰材料应用于超级电容器电极提供数据和制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：本发明的基于一种用于超级电容器电极材料的碳负载氧化锰的制备方法，具体包括如下步骤：（1）将0.75 mmol MnSO₄溶于70 mL 蒸馏水和7 mL 无水乙醇混合溶液中，加入0.03 g多巴胺（DA）溶解，将10 mmol/L三羟甲基氨基甲烷（Tris-buffer）逐滴加入上述混合溶液中，磁力搅拌均匀后，将7.8 mmolNaHCO₃溶于70 mL 蒸馏水后缓慢加入到上述溶液中反应3 h。得到溶液离心分离后用蒸馏水、乙醇洗涤，干燥后得MnCO₃/PDA。

（2）将MnCO₃/PDA粉末转移至高温管式炉内，在氮气保护下，进行煅烧碳化，升温速率为5 ℃/min下煅烧2 h，得到MnO/C多孔微球复合材料。