一种MnO₂/碳纤维管复合电极材料的制备方法

一种MnO₂/碳纤维管复合电极材料的制备方法
【专利摘要】本发明属于超级电容器电极材料制备技术领域，涉及一种MnO2/碳纤维管复合电极材料的制备方法，以KMnO4和碳纤维管为反应原料，去离子水为溶剂，利用微波辐射合成技术制备MnO2/碳纤维管复合电极材料，合成时间很短，步骤简单，产率高，适合批量制备MnO2/碳复合电极材料；制备的MnO2/碳纤维管复合电极材料中MnO2为纳米棒状结构，均匀附着于碳纤维管表面，具有高度分散性，在电解液中提供较大接触面积，利于发挥赝电容效应；碳纤维管增强材料的导电性，提升反应过程中的电子传导效率，从而提高材料的电容特性。
【专利说明】
一种MnO2/碳纤维管复合电极材料的制备方法
技术领域
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[0001]本发明属于超级电容器电极材料制备技术领域，涉及一种MnO2/碳纤维管复合电极材料的制备方法，具体涉及一种狼牙棒状的MnO2/碳纤维管超级电容器复合电极材料的制备方法。
【背景技术】
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[0002]超级电容器作为一种储能器件，具有结构简单、功率密度高、充放电快速、循环寿命长、工作温度范围宽等特点，在电动汽车、航空航天飞行器、军事等诸多领域有广阔的应用前景，引起了国内外研究者的广泛关注，成为当前化学电源领域的研究热点之一。
[0003]超级电容器储能机理可分为三类:基于吸附的双电层电容、涉及氧化还原反应的赝电容、以双电层和赝电容为储能机制的混合电容器。电极材料是超级电容器的关键，它直接决定了超级电容器的诸多性能指标。近年来，金属氧化物赝电容材料吸引了众多研究者的注意力，这是因为金属氧化物制备简单、结构丰富、比表面大、金属离子价态丰富，非常适合用作电容器的电极材料，其中，MnO2纳米电极材料的研究最为广泛，但是MnO2导电性不佳，这会直接影响电容器的性能，为提高导电性，研究者将MnO2与各种碳材料进行复合，从而提高电容器性能，例如，文献“J.Mater.Chem.，2012，22，153-160”报道了在石墨化的碳空心球表面生长一层Μηθ2，表现出较高的比电容;文献“J.Mater.Chem.，2012，22，16939”则报道了将MnO2与聚苯胺复合后，在0.5A g—1的电流密度下比电容高达383F g—1 ;Lu等人(NanoscaleResearch Letters 2012，7:33)也报道了在碳纳米管上负载MnC>2后可以显著提高电容器性能；此外，Wang等人(ACS Nano 2010，4，2822_2830)报道了MnO2与石墨烯复合，也表现出较好的性能。然而，从上述公开的文献中可以发现其制备过程需要时间较长，严重降低了材料的合成效率，因而，发展一种快速、高效的超级电容器电极材料制备方法具有重要研究意义。

【发明内容】

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[0004]本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种利用微波合成技术高效、快速制备MnO2/碳纤维管复合电极材料的方法，该方法合成时间很短，步骤简单，产率高，适合批量制备MnO2/碳纤维复合电极材料，制备的MnO2/碳纤维管复合电极材料作为超级电容器电极材料表现出较高的比电容。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明以KMnO4和碳纤维管为反应原料，去离子水为溶剂，利用微波辐射合成技术制备MnO2/碳纤维管复合电极材料，具体包括以下步骤:
[0006](I)将20-50mg碳纤维管、17-51mg KMnO4依次加入到20ml去离子水中，超声分散1min后转移至反应瓶中；
[0007](2)将步骤(I)的反应瓶放入微波合成仪器，温度设置为160-185Γ，反应时间为5-20min；
[0008](3)反应结束后，将步骤(2)得到的样品在6000rpm条件下离心收集，依次用去离子水、乙醇分别洗涤2次，再在60°C干燥12h，制备得到MnO2/碳纤维管复合电极材料。
[0009]本发明与现有技术相比，合成时间很短，步骤简单，产率高，适合批量制备MnO2/碳复合电极材料;制备的MnO2/碳纤维管复合电极材料中MnO2为纳米棒状结构，均匀附着于碳纤维管表面，具有高度分散性，在电解液中提供较大接触面积，利于发挥赝电容效应;碳纤维管增强材料的导电性，提升反应过程中的电子传导效率，从而提高材料的电容特性。
【附图说明】
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[0010]图1为本发明实施例1制备的MnO2/碳纤维管复合电极材料的透射电镜照片。
[0011]图2为本发明实施例2制备的MnO2/碳纤维管复合电极材料的透射电镜照片。
[0012]图3为本发明实施例3制备的MnO2/碳纤维管复合电极材料的透射电镜照片。
[0013]图4为本发明实施例2制备的MnO2/碳纤维管复合电极材料在50mV/s扫速下得到的循环伏安曲线。
【具体实施方式】
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[0014]下面通过具体实施例并结合附图做进一步说明。
[0015]实施例1:
[0016]本实施例将33mg碳纤维管、17mg ΚΜηθ4先后加入到20ml去离子水中，超声分散1min后转移至反应瓶中，再将反应瓶放入微波合成仪器，温度设置为185°C，反应时间为1min;反应结束后，将得到的样品进行离心(6000rpm)收集后，依次用去离子水和乙醇分别洗涤2次，在60 0C干燥12h，制备得到的MnO2/碳纤维管复合电极材料。
[0017]本实施例对制备的MnO2/碳纤维管复合电极材料进行TEM表征，如图1所示，MnO2为纳米棒状结构，直径为6-8nm，长度为20_70nm，均勾附着于碳纤维管表面。
[0018]实施例2:
[0019]本实施例将33mg碳纤维管、34mg ΚΜηθ4先后加入到20ml去离子水中，超声分散1min后转移至反应瓶中，再将反应瓶放入微波合成仪器，温度设置为185°C，反应时间为1min;反应结束后，将得到的样品进行离心(6000rpm)收集后，依次用去离子水和乙醇分别洗涤2次，在60°C干燥12h，即制备得到MnO2/碳纤维管复合电极材料。
[0020]本实施例对制备的MnO2/碳纤维管复合电极材料进行TEM表征，如图1所示，MnO2为纳米棒状结构，直径为6-8nm，长度为20_7 Onm，密集附着于碳纤维管表面，与实施例1中得到的样品相比,MnO2含量显著增大。
[0021 ]本实施例将制备的M η O 2 /碳纤维管复合电极材料与聚偏二氟乙烯(polyvinylidenef luoride，PVDF)和碳黑按照85:10:5的重量百分比混合后加入0.5mL N-甲基吡咯烷酮(NMP)，制作成浆料后涂敷于不锈钢网上，在60°C干燥12h后经压片机压片，SP得超级电容器工作电极，采用三电极体系测试超级电容器工作电极的超电容性能，其中采用的电解液为lmol IZ1Na2SO4水溶液，Pt片为对电极，Ag/AgCl为参比电极，其在50mV/s扫速下得到的循环伏安曲线如图4所示，经计算比电容为49.7F/g。
[0022]实施例3:
[0023]本实施例将33mg碳纤维管、51mg ΚΜηθ4先后加入到20ml去离子水中，超声分散1min后转移至反应瓶中，再将反应瓶放入微波合成仪器，温度设置为185°C，反应时间为1min;反应结束后，将得到的样品经离心(6000rpm)收集后，依次用去离子水和乙醇分别洗涤2次，在60°C干燥12h，即制备得到MnO2/碳纤维管复合电极材料。
[0024]本实施例对制备的MnO2/碳纤维管复合电极材料进行TEM表征，如图3所示，MnO2为纳米棒状结构，直径为6-10nm，长度为50-150nm，密集附着于碳纤维管表面，与实施例2中得到的样品相比，MnO2含量进一步增大，生长更为密集。
【主权项】
1.一种MnO2/碳纤维管复合电极材料的制备方法，其特征在于以KMnO4和碳纤维管为反应原料，去离子水为溶剂，利用微波辐射合成技术制备MnO2/碳纤维管复合电极材料，具体包括以下步骤: (1)将20-50mg碳纤维管、17-5Img KMnO4依次加入到20ml去离子水中，超声分散1min后转移至反应瓶中； (2)将步骤(I)的反应瓶放入微波合成仪器，温度设置为160-185Γ，反应时间为5-20min； (3)反应结束后，将步骤(2)得到的样品在6000rpm条件下离心收集，依次用去离子水、乙醇分别洗涤2次，再在60°C干燥12h，制备得到MnO2/碳纤维管复合电极材料。
【文档编号】H01G11/86GK105914049SQ201610334958
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】张军, 刘相红
【申请人】青岛大学