氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纤维的制备方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明涉及一种氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纤维的制备方法，更具体地说是涉及有机-无机复合物的制备过程，即醋酸锰、醋酸的乙醇等溶液，在搅拌后加入到聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液中，进一步加入乙二胺与四氯化碳的聚合物，获得组成静电纺丝的溶液，进一步通过静电纺丝设备获得二氧化锰/高分子复合物纤维，并在高温下碳化获得氮掺杂介孔碳二氧化锰纤维。这种具有介孔结构的二氧化锰纤维具有很好的电化学性能，可用于锂离子电池的正极材料。
【背景技术】
[0002]超级电容器是一种既稳定又环保的新型储能元件，具有充电时间短、使用寿命长、功率密度高、安全系数高、节能环保、低温特性好等优点。超级电容器在现代科技、工业、航天事业方面的应用都十分广泛，它代表了高储能技术的一次突破。
[0003]介孔碳材料具有有序孔道、大孔径、高比表面积、大孔容及良好化学稳定性，越来越引起人们的关注[1-5].传统的制备方法，如硬模板法，由于介孔氧化硅模板孔壁厚度难以调节。
[0004]有文献报道利用二氧化硅模板通过水热法合成了具有高表面积的介孔二氧化锰，并通过金属离子的掺杂进一步改进其性能；还有报道利用水热还原氧化法合成了高度分散的具有纳米纤维结构的钾矿型二氧化锰等。
[0005]本发明旨有效利用碳基材料高比表面积，制备的具有氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纳米纤维具有很好的电化学性能，可用于锂离子电池的正极材料。介孔碳修饰Μη02颗粒所组成的纳米纤维，将碳基材料高比表面积和Μη02的高赝电容有效结合起来，从而兼具两者的特长，有利于制备新的大电容量的超级电容器。
【发明内容】
[0006]将一定质量比的醋酸锰、醋酸、聚乙烯吡咯烷酮和乙二胺与四氯化碳的聚合物在乙醇为溶剂下搅拌，获得组成静电纺丝的溶液，通过静电纺丝设备获得二氧化锰/高分子复合物纤维，并在高温下碳化获得氮掺杂介孔碳二氧化锰纤维。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
将醋酸锰、醋酸和乙醇按照一定的质量配比混合，然后搅拌成均相溶液A ;将聚乙烯吡咯烷酮溶解在乙醇溶液中，再加入0.3克乙二胺与四氯化碳的聚合物组成均相溶液B，最后将两种溶液A、B相互混合组成静电纺丝溶液。将静电纺丝溶液通过静电纺丝设备在一定的直交流电压和流速下纺丝，获得二氧化锰/高分子复合物纤维，并在空气中一定温度下干燥，获得的纤维进一步在氮气气氛下高温焙烧碳化。最终获得具有碳掺杂的介孔碳二氧化锰纤维。
[0008]本发明利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等表征手段分析了所制备的样品。
[0009]本发明的有益效果是:
本发明的一种氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纤维，平均厚度为230 nm。纳米纤维包含内部相通的多晶相氧化锰和在氮掺杂碳中的大量的介孔结构。在lmol.L 溶液中，扫描速率20mv/s下电容量为447.6 F/g,本纤维适用于超级电容器处理。操作方法简单，成本低廉、可重复。
【附图说明】
[0010]图1由氮掺杂介孔碳修饰的Μη02纳米纤维的扫描电镜图，可以看出氮掺杂介孔碳二氧化锰纤维的厚度在230nm左右。
[0011 ] 图2是氮掺杂介孔碳修饰的Μη02纳米纤维的大角XRD图谱。。
[0012]图3氮掺杂介孔碳修饰的Μη02纳米纤维的氮气吸附_脱附曲线(a)以及孔径分布曲线图(b)。介孔在5nm左右样品具有介孔结构。比表面积为120m2/g，
图4氮掺杂介孔碳修饰的Μη02纳米纤维的循环伏安性能图，在lmol.L_lNa2S04溶液中，扫描速率20mv/s下电容量为447.6 F/g。
[0013]
【具体实施方式】
[0014]以下通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0015]所述方法如无特别说明，均为常规方法。所述材料如无特别说明，均能从公开商业途径购买得到。
[0016]实施例1
1.ο克醋酸锰和1.0克醋酸加入到5克乙醇溶液中，搅拌均匀后组成溶液A。将0.2克聚乙烯吡咯烷酮溶解在5克乙醇溶液中，然后再加入0.1克乙二胺与四氯化碳的聚合物，搅拌均匀后组成溶液B。将两种溶液进一步搅拌均匀后，组成静电纺丝溶液。然后把准备好的静电纺丝溶液混合，轻轻搅拌30min，然后注入到不锈钢制的具有18规金属喷嘴的注射器中。把溶液在5kV的直交流电压下以0.2mL/h的速率进行静电纺丝实验，从注射器的喷嘴顶部20cm处开始收集纳米纤维到铝箔上。得到的静电纺丝纳米纤维先在空气中200°C下稳定5h,然后再Ar气气氛下500°C进行碳化处理。加热和冷却速率均为1°C/min。最后得到氮掺杂介孔碳的二氧化锰纤维。
[0017]实施例2
1.0克醋酸锰和1.5克醋酸加入到15克乙醇溶液中，搅拌均匀后组成溶液A。将0.35克聚乙烯吡咯烷酮溶解在10克乙醇溶液中，然后再加入0.2克乙二胺与四氯化碳的聚合物，搅拌均匀后组成溶液B。将两种溶液进一步搅拌均匀后，组成静电纺丝溶液。然后把准备好的静电纺丝溶液混合，轻轻搅拌30min，然后注入到不锈钢制的具有18规金属喷嘴的注射器中。把溶液在15kV的直交流电压下以0.35mL/h的速率进行静电纺丝实验，从注射器的喷嘴顶部20cm处开始收集纳米纤维到铝箔上。得到的静电纺丝纳米纤维先在空气中250°C下稳定5h，然后再Ar气气氛下600°C进行碳化处理。加热和冷却速率均为1°C /min。最后得到氮掺杂介孔碳的二氧化锰纤维。
[0018]实施例3
1.0克醋酸锰和3.0克醋酸加入到25克乙醇溶液中，搅拌均匀后组成溶液A。将0.5克聚乙烯吡咯烷酮溶解在25克乙醇溶液中，然后再加入0.3克乙二胺与四氯化碳的聚合物，搅拌均匀后组成溶液B。将两种溶液进一步搅拌均匀后，组成静电纺丝溶液。然后把准备好的静电纺丝溶液混合，轻轻搅拌30min，然后注入到不锈钢制的具有18规金属喷嘴的注射器中。把溶液在20 kV的直交流电压下以0.5mL/h的速率进行静电纺丝实验，从注射器的喷嘴顶部20cm处开始收集纳米纤维到铝箔上。得到的静电纺丝纳米纤维先在空气中300°C下稳定5h，然后再Ar气气氛下800°C进行碳化处理。加热和冷却速率均为1°C/min。最后得到氮掺杂介孔碳的二氧化锰纤维。
【主权项】
1.本发明涉及一种通过静电纺丝而成的具有氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纳米纤维的制备方法，其主要特征在于醋酸锰、醋酸的乙醇等溶液，在搅拌后加入到聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液中，进一步加入乙二胺与四氯化碳的聚合物，获得组成静电纺丝的溶液，然后将静电纺丝的溶液通过静电纺丝设备获得二氧化锰/高分子复合物纤维，并在空气中干燥后，在氮气气氛下高温度碳化，最后得到氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纤维。2.根据权利要求1所述的一种通过静电纺丝而成的具有氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纳米纤维的制备方法，其主要特征在于醋酸锰、醋酸、乙醇、聚乙烯吡咯烷酮以及乙二胺与四氯化碳的聚合物的质量比范围在1:1-3:10-50:0.2-0.5:0.1-0.3。3.根据权利要求1所述的一种通过静电纺丝而成的具有氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纳米纤维的制备方法，其主要特征在于静电纺丝的直流电压5KV-20KV，流速0.2-0.5毫升/小时。4.根据权利要求1所述的一种通过静电纺丝而成的具有氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纳米纤维的制备方法，其主要特征在于纺丝后二氧化锰/高分子复合物纤维在空气中的干燥温度在200-300度之间。5.根据权利要求1所述的一种通过静电纺丝而成的具有氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纳米纤维的制备方法，其主要特征在于纺丝后二氧化锰/高分子复合物纤维在氮气中的高温碳化的温度在500-800度之间。
【专利摘要】本发明公开了一种通过静电纺丝而成的具有氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纳米纤维的制备方法，即通过静电纺丝法获得具有氮掺杂介孔碳修饰的氧化锰纳米纤维，平均厚度为250nm。纳米纤维包含内部相通的多晶相氧化锰和在氮掺杂碳中的大量的介孔结构。这种氮掺杂介孔碳修饰的氧化锰纳米纤维可以用做超级电容器材料。
【IPC分类】D01D5/00, D01F9/10, H01G11/46
【公开号】CN105316798
【申请号】CN201410381108
【发明人】谷涛
【申请人】无锡华臻新能源科技有限公司
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2014年8月5日