[发明专利]一种石墨烯/MnO电极、其制备方法及高能量密度超级电容器

说明书

本发明提供了一种石墨烯/MnO电极的制备方法，包括以下步骤：A)形成包含MnO₂纳米针和氧化石墨烯的混合液；所述MnO₂纳米针与氧化石墨烯的质量比为1：(0.5～12)；B)将所述混合溶液形成膜；C)对所述膜进行闪光还原，得到石墨烯/MnO电极。本发明通过合理设计反应条件，提出了一种低成本，一步法闪光还原工艺来制备高性能石墨烯/MnOx电极。这种简单的方法可以制造高质量的多孔石墨烯网络，并且可以同时有效地合成嵌入赝电容活性MnO_x纳米材料。使用所制造的电极证明了超出纯石墨烯和MnO_x的理论极限的超高电容(高达1706F·g^‑1)。本发明还提供了一种石墨烯/MnO电极及高能量密度超级电容器。

技术领域

本发明属于能量存储技术领域，尤其涉及一种石墨烯/MnO电极、其制备方法及高能量密度超级电容器。

背景技术

超级电容器(也称为“超级电容器”或“双电层电容器”)是电化学电容器，其电容值远高于其他电容器。由于其高能量密度，快速充电/放电能力，超过一百万次充电循环的长寿命以及在-40℃至70℃的宽温度范围内工作的能力，超级电容器被广泛用于储能和能源供应。由于电池的生产和处置会对环境污染和人体健康造成不利影响，近年来，超级电容器中的环保材料及其低维护成本促进了超级电容器的发展。此外，超级电容器比电池优越，因为它们可以提供更高的功率密度(最高45kW kg^-1)和更长的循环寿命(一百万次循环)。尽管如此，超级电容器的能量密度比电池的能量密度低约一个数量级，这限制了超级电容器在实际应用中的使用。

超级电容器的能量密度(E)由E＝1/2CV²给出，它与比电容(C)和工作电压窗口(V)的平方成正比。比电容主要取决于电极性能。在开发基于碳的超级电容的过程中，纯碳基电极的总电容和能量密度仍然相对较低。在碳基电极中，尽管石墨烯被认为是最有前途的电极材料，具有出色的导电性和较高的理论表面积，但比电容的理论极限为550F g-1。因此，已经采用了不同的策略来改善碳基电极的电容，其中一种有前途的方法是通过添加锰氧化物(MnOx)来引入赝电容，这是因为它们具有较高的理论电容以及其丰富的地球和无毒性质。

一氧化锰(MnO)的理论电容(～1,350F g-1)比经过广泛研究的二氧化锰(MnO2)电极(1,110F g-1)更高，表明其有可能进一步提高二氧化锰的电容。碳基电极。2013年，廖等他提出通过水热法将垂直取向的石墨烯@MnO纳米片制备为高性能超级电容电极，并将电极的比电容提高到790F g-1。后来，还研究了其他制造方法，例如对MnO纳米颗粒的自组装进行碳涂层，在碳纳米纤维上直接静电纺丝以及将MnO热等离子体沉积在多孔碳材料上以合成MnO/碳电极。然而，尽管已经合成了纳米MnO并将其沉积在碳基电极中，但是该过程相对复杂并且通常需要多个步骤。因为纳米MnO在合成过程中遭受颗粒的团聚，这导致表面活性位点的损失并因此降低了电化学活性。结果，所报道的MnO/碳电极的电容通常小于800F·g^-1，这远低于理论极限(仅达到约60％)。因此，通过一种容易且简单的方法来生产高电容超级电容电极，将MnO均匀地锚固在碳网络上仍然具有挑战性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/MnO电极、其制备方法及高能量密度超级电容器，本发明中制备得到的石墨烯/MnO电极在0.2A·g^-1时显示出高达1706F·g^-1的超高电容。

本发明提供一种石墨烯/MnO电极的制备方法，包括以下步骤：

A)形成包含MnO₂纳米针和氧化石墨烯的混合液；

所述MnO₂纳米针与氧化石墨烯的质量比为1：(0.5～12)；

B)将所述混合溶液形成膜；

C)对所述膜进行闪光还原，得到石墨烯/MnO电极。