一种复合电极材料及制备方法及用途与流程

本发明属于金属氧化物纳米材料合成技术领域，特指利用简单快速的水热方法合成一种feco2o4@mno2复合电极材料，使用其制备成feco2o4@mno2//ac非对称超级电容器(asc)，可点亮led灯泡。

背景技术：

进入新世纪以来，随着煤、石油和天然气等不可再生能源的不断消耗，化石燃料燃烧引起的温室效应等环境问题日益突出，经济发展与能源供给之间的矛盾加剧，所以为了改善生态环境，实现社会的可持续性发展，发展高效的储能装置是解决可再生能源发电入网问题的有效途径，被认为是支撑可再生能源发展的战略性技术，得到了各国政府和企业界的广泛关注。

碳布具有价格便宜、制备工艺简单、高导电性及化学性质稳定等优点，是一种理想的电极基体材料；而且其柔性好、机械性能高，是未来柔性电极与柔性电子设备的发展方向。

钴酸铁(feco2o4)是一种三元金属氧化物电极材料，其比电容远远大于活性炭材料表面的双电层电容,并且具有良好的导电性和容易制备等特点。

二氧化锰(mno2)是一种很重要并且被广泛应用的二元金属氧化物材料，价廉低毒，且具有高的赝电容以及环境友好等特点，将其制备成纳米结构，不仅具有比表面积高、阳离子和电子传输路径短的特点，而且可以减缓弯曲压力的冲击，使得mno2可以应用于柔性储能电极材料。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种简单的feco2o4@mno2复合电极材料的合成方法。

本发明通过以下几个步骤实现：

(1)将硫酸亚铁(feso4·7h2o)、六水合硝酸钴(co9(no3)2·6h2o)、尿素(co(nh2)2)和氟化铵(nh4f)溶于水中配制成溶液混合搅拌，再置入碳布，第一次水热反应结束后，洗涤、干燥，得到负载feco2o4前驱物的碳布；再将上述负载着前驱物的碳布置入高锰酸钾溶液中，第二次水热反应结束后，洗涤、干燥、煅烧即得负载上了feco2o4@mno2复合电极材料的碳布。

所述的硫酸亚铁、六水合硝酸钴、尿素和氟化铵的物质的量之比为：1:2:5:2。

所述高锰酸钾溶液的浓度为0.05m。

所述第一次水热反应的条件为：140℃的条件下水热反应7h。

所述第二次水热反应的条件为：140℃的条件下水热反应6h。

所述煅烧条件为：400℃的条件下煅烧2h。

(2)利用x射线衍射仪(xrd)、透射电子显微镜(tem)、x光电子能谱仪等仪器对产物进行结构分析，使用chi760e型电化学工作站对产物进行电化学性能的研究。

(4)当采用本发明制备出的复合电极材料作为正极，使用活性炭(ac)作为负极，制备成一个非对称超级电容器(asc)的时候，串联两个上述asc在3.2v的条件下充电40s，能点亮led灯泡。

本发明所制备的feco2o4@mno2复合电极材料，三元金属氧化物feco2o4具有较高的导电性，作为骨架不仅增加了表面活性位点，而且为生长在其表面的mno2提供了有效的电子连接，从一定程度上大大地解决了mno2导电性低的问题，并且本复合电极材料作为正极材料制备成非对称超级电容器的时候，具有较高的功率密度和能量密度，因此该复合材料在储能领域有一定的潜力。

有益效果

利用简单的水热合成方法所制备的feco2o4@mno2复合电极材料为超级电容器的正极，该材料具有良好的充放电特性，较好的循环性能等优点。本发明工艺简单，重复性高，且所用材料价廉低毒，反应时间较短，从而减少了能耗和反应的成本，便于大量生产，制备出的非对称超级电容器可反复使用，循环5000次以后，依旧具有90.1％的容量保持率，符合环境友好的要求。

附图说明

图1为feco2o4@mno2复合电极的x射线衍射分析图(xrd)图。

图2为feco2o4与feco2o4@mno2复合电极的扫描电镜(sem)图。

图3为feco2o4@mno2复合电极在两电极体系中的电化学性能的表征。图3(a)为feco2o4@mno2复合电极作为正极，活性炭(ac)作为负极，滤纸作为隔膜，将三者压缩在一起制备成feco2o4@mno2//ac非对称超级电容器的简单示意图，图3(b)为feco2o4@mno2复合电极在1.6v的电位窗内不同扫描速率的循环伏安法(cv)曲线图，图3(c)为feco2o4@mno2复合电极在1.6v的电压下，不同电流密度下的横流充放电(gcd)曲线图，图3(d)为该非对称超级电容器在25macm^-2的电流密度下循环5000次，依旧能具有90.1％的容量保持率的图。内置图为将两个feco2o4@mno2//ac非对称超级电容器串连在一起，在3.2v的电压下，使用chi760e型电化学工作站充电40s能点亮的一个led白色灯泡的图片。

具体实施方式

实施例1feco2o4@mno2复合电极材料的制备

(1)剪裁碳布成适当大小(1×1cm)，按照丙酮，乙醇，水的顺序清洗碳布以去除碳布表面的油污。

(2)将1mmol硫酸亚铁(硫酸亚铁·7h2o)、2mmol六水合硝酸钴(co(no3)2·6h2o)、5mmol尿素(co(nh2)2)和2mmol氟化铵(nh4f)溶解于30ml去离子水中，搅拌30min后，再与上述清洗干净的碳布一并转移至50ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，升温至140℃温度下恒温7h，自然冷却，取出碳布，用蒸馏水乙醇洗涤，干燥。

(3)配置30ml0.05m的高锰酸钾(kmno4)溶液。

(4)将上述(2)中所得到的碳布和(3)中所配置的溶液置入50ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，升温至140℃温度下恒温6h，自然冷却，洗涤干燥。

(5)上述得到的碳布置入马弗炉中，400℃煅烧2h，得到生长在碳布上的feco2o4@mno2复合电极。

本发明的另一个目的，是提供所制备的feco2o4@mno2复合电极对于点亮led灯泡的应用。

钴酸铁(feco2o4)@二氧化锰(mno2)复合电极的超级电容器性能的测试步骤如下：

首先将活性炭(ac)、乙炔黑、聚四氟乙烯(pvdf)以质量分数比8：1：1的比例混合均匀，用n-甲基吡咯烷酮溶液溶解上述粉末，并将上述混合均匀的粉末涂于一片清洗干净的(1×1cm)泡沫镍上，再将此泡沫镍烘干。这种feco2o4@mno2复合电极作为正极，上述涂有活性炭等混合粉末的泡沫镍作为负极，3mkoh作为电解液，用chi760e型电化学工作站，进行循环伏安法扫描和横流充放电的测试。再将上述正负极用滤纸间隔，压缩于锂电池壳内制备成一个简易的feco2o4@mno2//ac非对称超级电容器。两个feco2o4@mno2//ac非对称超级电容器串连在一起，使用电化学工作站，在3.2v的电压下充电40s秒可以点亮一个白色的led灯泡。

实施例2feco2o4@mno2复合电极材料的表征分析

本发明中的复合电极的物相，结构以及性能表征由x-射线衍射仪，场发射扫描电镜(sem)以及chi760e型电化学工作站测定。

如图1所示，从图中可以看出feco2o4，mno2两种物质成功的被合成。

如图2所示，从图(a)中可以看出feco2o4是纳米片的结构，从图(b)中可以看出mno2微小纳米片成功的生长在feco2o4纳米片的表面，形成一种核壳结构。

实施例3feco2o4@mno2复合电极材料的电化学性能的分析以及其实际应用

如图3所示，从图中可以看出当使用feco2o4@mno2这种复合材料为正极，ac作为负极，制作成非对称超级电容器(asc)时，具有较好的充放电等电化学特性。串联两个上述asc，在3.2v的电压下充电40s能成功的点亮白色led灯泡。