[发明专利]一种表面修饰的氮掺杂碳空心球负载的二氧化锰产品、制备方法及其应用

摘要

本发明公开了一种表面修饰的氮掺杂碳空心球负载的二氧化锰产品的制备方法，包括以下步骤（1）制备碳空心球（HCS）；（2）制备聚多巴胺修饰的碳空心球（PDA‑HCS）；（3）制备石墨烯修饰的氮掺杂碳空心球（N‑HCS@Gr）；（4）制备聚苯胺修饰的N‑HCS@Gr（N‑HCS@Gr@PANI）；（5）制备用石墨烯和聚苯胺进行表面修饰的氮掺杂碳空心球负载的二氧化锰产品（N‑HCS@Gr@PANI@MnO2）。本发明的这种N‑HCS@Gr@PANI@MnO2产品充分结合了氮掺杂碳空心球优异的性能、石墨烯巨大的表面积和优异的导电性、PANI的还原性和导电性，以及二氧化锰自身优异的电容特性，从而使它表现出非常高的比电容，是一种有广泛应用前途的超级电化学电容器的电极材料。

主权项

一种表面修饰的氮掺杂碳空心球负载的二氧化锰产品的制备方法，包括以下步骤：（1）制备碳空心球（HCS）；（2）制备聚多巴胺修饰的碳空心球（PDA‑HCS）：首先将碳空心球材料(HCS)与浓硫酸在室温下混合、搅拌、过滤，用纯水洗至中性，在40OC下干燥，得到酸化处理的HCS；将酸化处理的HCS与浓度为10 wt%的多巴胺（DA）的三（羟甲基）氨基甲烷溶液混合，搅拌，将固体离心分离，在60oC下真空干燥，得到聚多巴胺（PDA）修饰的碳空心球(PDA‑HCS）；（3）制备石墨烯修饰的氮掺杂碳空心球（N‑HCS@Gr）：首先将氧化石墨烯（GO）颗粒和纯水混合，配成浓度为0.2 ~ 2.0 mg mL‑1的氧化石墨烯分散液；然后将所得的PDA‑HCS与纯水混合，配成浓度为2 mg mL‑1的分散液；将前述两种分散液混合、搅拌，然后将混合物离心分离，得黑色固体物质，纯水洗黑色固体物质，室温干燥；最后将所得固体物质于氮气氛中、以4 °C min‑1的升温速度加热到850°C并保温一定时间，随后在氮气气氛中自然冷却至室温，得到的黑色固体颗粒为石墨烯修饰的氮掺杂碳空心球（N‑HCS@Gr）；（4）制备聚苯胺修饰的N‑HCS@Gr（N‑HCS@Gr@PANI）：将上述N‑HCS@Gr颗粒与浓硫酸混合，室温下充分搅拌，过滤，用纯水洗至中性，在40OC下干燥，得到酸化处理的N‑HCS@Gr；将酸化处理的N‑HCS@Gr与纯水混合，充分搅拌形成均匀的分散液；将苯胺溶于浓度为1 mol L‑1的盐酸溶液中，并将该溶液滴加到上述分散液中，将所得混合溶液在冰浴中充分搅拌；最后，将浓度为10%（wt%）的过硫酸铵水溶液滴加到上述混合溶液中，继续在冰浴中充分搅拌后，过滤，所得黑色颗粒用纯水洗至中性，于40OC下真空干燥，得到聚苯胺修饰的N‑HCS@Gr（N‑HCS@Gr@PANI）；（5）制备用石墨烯和聚苯胺进行表面修饰的氮掺杂碳空心球负载的二氧化锰产品（N‑HCS@Gr@PANI@MnO2）：将上述N‑HCS@Gr@PANI颗粒分散在纯水中，随后在搅拌下加入0.05 mol L‑1的KMnO4溶液，并继续搅拌；最后将所得固体物过滤，用纯水和无水乙醇洗，将黑色固体于40OC下真空干燥，得到用石墨烯和聚苯胺进行表面修饰的氮掺杂碳空心球负载的二氧化锰产品（N‑HCS@Gr@PANI@MnO2）。