[发明专利]氧化石墨烯改性MXene气凝胶载二氧化锰复合电极材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种氧化石墨烯改性MXene气凝胶载二氧化锰复合电极材料及其制备和在制作超级电容器中的应用。制备方法包括步骤：(1)将MAX相原料与刻蚀剂混合刻蚀后，离心清洗至混合液pH为6～7，超声分散得到MXene分散液；(2)将MXene分散液与氧化石墨烯水溶液、还原剂混合后于65～70℃、自生压力下水热反应4～6h，冷却得到MXene水凝胶；(3)对MXene水凝胶进行溶剂置换、冷冻干燥，得到MXene气凝胶；(4)在MXene气凝胶上电沉积二氧化锰纳米片得到氧化石墨烯改性MXene气凝胶载二氧化锰复合电极材料。

技术领域

本发明涉及超级电容器领域，具体涉及一种氧化石墨烯改性MXene气凝胶载二氧化锰复合电极材料及其制备和应用。

背景技术

随着科技进步，世界能源的消耗量也在急剧增加，而目前主要使用的传统能源导致了日趋严重的环境污染问题，为解决上述问题，人们正致力于研究开发绿色清洁的新能源，如风能、太阳能等。为了充分利用这些能源，需要将其转化为可储存的能源形式(如电能)以便能量运输和转换，因此，对能源转换和储存装置提出了很高的需求。

超级电容器是一种极具前景的新兴储能装置。超级电容器具有比二次电池(锂离子电池、钠离子电池等)更高的功率密度和更长的循环寿命；比传统电容器有更高的比容和能量密度；充放电速率快，是常规电池的10倍。这些优势使得超级电容器正好弥补了二次电池与传统电容器之间的空缺，可为各种应用提供多功能的供电解决方案，包括便携式消费电子设备、电动汽车和大规模智能电网等。目前大量的研究正致力于提升超级电容器的能量密度，对电极的改良已成为研究热点之一[J.Yan et al.Adv.Energy Mater.2014,4:1300816]。

二氧化锰作为一种电极材料，具有无毒无害、储量丰富成本低等优点，从而引起了研究者的广泛关注。但在实际应用中，它们较低的电导率严重影响了它们的比容量、循环寿命和可扩展性。研究者们为了提高二氧化锰的导电性和循环稳定性，将其与石墨烯、碳纳米纤维等材料复合。目前，已有不少文献和专利方法对二氧化锰的复合材料进行讨论。公开号为CN110534355A的专利公开了一种无需模板和活性剂的石墨烯/二氧化锰电极的制备方法，其专利材料表现出良好的电化学性能。公告号为CN109243839B的专利公开了一种大电压窗口的二氧化锰复合材料。但是，在已报道的二氧化锰复合材料中，复合材料的优异表现往往仅限于使用极低质量负载(≤1mg/cm²)的超薄电极设备，由于超低质量负载，其实际质量比容几乎比二氧化锰的固有性能低一个数量级，严重阻碍了实际应用。

发明内容

针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种氧化石墨烯改性MXene气凝胶载二氧化锰复合电极材料的制备方法，制备工艺简单，易于大规模生产。本发明通过特殊方法对MXene气凝胶进行氧化石墨烯改性，可实现二氧化锰的高质量负载以及二氧化锰在MXene气凝胶骨架内、外的双面均匀负载，保证优异的电化学性能，所得复合电极材料特别适用于制作超级电容器。

一种氧化石墨烯改性MXene气凝胶载二氧化锰复合电极材料的制备方法，包括步骤：

(1)将MAX相原料与刻蚀剂混合刻蚀后，离心清洗至混合液pH为6～7，超声分散得到MXene分散液；

(2)将所述MXene分散液与氧化石墨烯水溶液、还原剂混合后于65～70℃、自生压力下水热反应4～6h，冷却得到MXene水凝胶；

(3)对所述MXene水凝胶进行溶剂置换、冷冻干燥，得到MXene气凝胶；

(4)在所述MXene气凝胶上电沉积二氧化锰纳米片得到所述氧化石墨烯改性MXene气凝胶载二氧化锰复合电极材料。