一种二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料的制备方法与应用与流程

文档序号：16587936发布日期：2019-01-14 18:45阅读：505来源：国知局

本发明属于能源与新材料领域，具体涉及一种二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料的制备方法与应用。

背景技术：

随着不可再生能源的日益枯竭和污染加剧，利用可再生的新型高效清洁能源对于减轻环境污染和促进人类的可持续发展至关重要。超级电容器作为一种具有发展潜力的新型储能器件受到研究者们的广泛关注。各种过渡金属氧化物（如ruo2,nio,v2o5,mno2,mn3o4等）基于快速可逆的氧化还原反应能力能提供较高的电容而常被用于超级电容器电极材料的构建，但它们大多面临循环寿命差的困扰。设计构建长循环稳定的电极材料对于改善超级电容器循环寿命，发挥全寿命周期的储能潜力具有重要意义。二氧化锰的理论比电容为1370fg^-1，可以在温和的中性电解液体系中使用且表现出不错的性能，对集流体和电池外壳腐蚀作用弱，具有来源广泛，价格低，环境友好，理论比电容高等优点，是一种性价比很高的电极材料。但其导电性差（10^-5-10^-6scm^-1），形貌结构易破碎，作为电极材料时循环性能差。将过渡金属氧化物与导电性良好的物质复合制备混合材料是一种有效提升容量和稳定性的策略，对二氧化锰-石墨烯/碳纳米管/多孔碳复合材料的研究和改进一直在进行，但大部分被报道的复合材料都只能在前几千圈的充放电循环中保持较高的容量，继续循环后则容量明显降低。另外，目前常见的复合方法主要为水热法和静电共沉淀法，操作较为复杂，在能耗、污染和大规模制备等方面有明显的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料的制备方法与应用。

本发明方法制备过程中，原料只包括高锰酸钾与氧化石墨烯，无需其他还原剂，采用溶液加热回流反应和后续退火的方法获得产物，具有操作流程简单、成本低、可控性好、可大量生产等优点。制备的复合材料中二氧化锰纳米结构与还原氧化石墨烯片层连接紧密，结构稳定，克服了二氧化锰-碳材料复合电极材料组分间结合不紧密，结构不稳定的问题，作为电极材料可以展示出良好的综合性能，尤其是长循环性能（在10ag^-1的大电流密度测试下恒流充放电20000次后仍保持100%的比容量）。

本发明提出的一种二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）：将氧化石墨烯分散液与高锰酸钾溶液混合均匀，得到混合溶液体系，所述混合溶液体系的ph值用氢氧化钠调节；加热回流，直到混合溶液中紫色完全消失后停止加热，将混合溶液冷却至室温；高锰酸钾用量为氧化石墨烯质量的1-3倍；

（2）：将步骤（1）中冷却后得到的混合溶液离心洗涤至中性，冻干，得到二氧化锰-氧化石墨烯复合物；

（3）：将步骤（2）中得到的二氧化锰-氧化石墨烯复合物固体粉末置于管式炉中，空气气氛中退火，即得到二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料。

本发明中，步骤(１)中控制混合溶液体系中ph值为10-12。

本发明中，步骤(１)加热回流温度为80℃。

本发明中，步骤(３)中退火温度为400℃，时间为1-2h。

本发明提出的制备方法得到的二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料在超级电容器电极材料中的应用。

本发明中，步骤（1）中所述氧化石墨烯分散液的制备方法，具体步骤如下：将原料石墨加入插层剂（硫酸与高锰酸钾）中进行插层处理，得到石墨层间化合物；再将其加入膨胀剂（硫酸与双氧水）中进行膨胀处理，得到类石墨烯膨胀石墨；将类膨胀石墨震荡超声剥离得到氧化石墨烯分散液。

本发明的特点及有益效果是：

１，本发明操作条件温和，无需剪切、球磨、密闭高压水热等高能耗过程，耗能低且产物形貌可控。

２，本发明制备二氧化锰的过程只涉及高锰酸钾与氧化石墨烯，无需其他还原剂，用料简单，成本低，操作便利。

３，本发明制得复合材料中二氧化锰纳米片直立和平铺生长在还原氧化石墨烯片层上，分布均匀，形貌统一。二氧化锰纳米结构与还原氧化石墨烯片层接触紧密，以c-o-mn共价键连接，保证了均匀形貌的稳固。

４，本发明制得的复合材料中二氧化锰呈现低结晶度，低结晶性的纳米结构相比高结晶度的材料，具有一定自适应性以承载充放电循环过程中产生的应力应变，使得电极材料能够展现出良好的循环稳定性。

５，本发明制得的复合材料中的二氧化锰纳米结构能够有效避免还原氧化石墨烯片层的堆叠，使得材料间存在利于电解液离子传输的层间孔隙；同时，多孔的还原氧化石墨烯网络结构提供了良好的导电通路，以上所述的协同作用使得复合电极材料在大倍率长循环测试中表现出良好的稳定性。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的实施方式一起用于解释本发明，但不构成对本发明的限制。

图1为二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料的x射线衍射谱图。

图2为二氧化锰-还原氧化石墨烯复合材料的（a）场发射扫描电镜和（b）透射电镜照片。

图3为二氧化锰-还原氧化石墨烯复合电极材料在10ag^-1下，20000次循环的容量保持率曲线，内部插图为循环不同阶段中的恒流充放电曲线。

图4为20000次循环后电极材料保持的形貌的透射电镜照片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细的说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

(１)将300ml浓度为3mgml^-1的氧化石墨烯分散液（预先用氢氧化钠将ph值调至11）与90ml浓度为20mgml^-1的高锰酸钾溶液混合均匀，80℃水浴磁力搅拌中加热回流5h直到溶液中紫红色完全消失，冷却所得溶液。