一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法和应用

本发明涉及一种电极材料的制备方法和应用。

背景技术：

1、目前全球能源资源按照现有产出量是过盛的，但利用率极低，并且严重危害人类赖以生存的气候环境。能量转换技术发展缓慢是造成这些缺陷的重要原因，其中环节能量储存技术应得到重视，因此推出更好更先进的能量储存技术是解决这些问题的关键。

2、超级电容器作为一种新型能源储存装置，具有充电时间短、循环使用寿命长、功率密度高、能量转换效率高等优势，因而得到了广泛的应用。超级电容器的电化学性能主要与电极材料的电化学导电性、比表面积和孔径分布等因素有关。材料导电性越好，电荷在电极/电解液中的迁移阻力越小；比表面积越大，电极材料表面越能与电解液充分接触，更有助于发挥材料的电容性能；孔径分布以及其空间结构有利于工作离子的嵌入/脱出。此外，还要求电极材料资源丰富，价格低廉：材料的制备方法、工艺简单等等。

3、现有的超级电容器电极材料主要以碳材料和金属氧化物为主体材料。碳纳米管具有大的比表面积，极好的中孔性能和良好的导电性，可以用作超级电容器电极材料。但是碳材料基于双电层储能机理，将电荷存储在电极/电解质溶液界面处的双电层中，因此具有较低的质量比电容。金属氧化物基于氧化还原反应，利用发生在电极表面的二维或准二维法拉第反应来存储电荷，具有较大的比电容。典型的代表材料有二氧化钌，二氧化锰。ruo2具有大的比电容和能量密度(760f/g和27wh/kg)，是目前较理想的金属氧化物电极材料，但其昂贵的价格限制了它的广泛应用。因此，电化学电容器研究的一个热点是寻找一种价格低廉、比电容大和性能稳定的电极材料。

4、二氧化锰由于资源丰富，价格低廉，环境友好和高的理论比电容，作为电化学电容器电极材料潜力巨大；氧化锰的无定型结构具有大的比表面积，有利于质子快速嵌入和脱嵌，在电极表面或者体相范围内产生快速、可逆的化学吸附/脱附或者氧化/还原反应，可有效地提高材料的利用率。但是，二氧化锰的弱导电性是其在电容器应用方面存在的一个主要问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是要解决现有作为超级电容器的材料价格昂贵和二氧化锰的导电性弱，作为超级电容器材料存在电化学性能差的问题，而提供一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法和应用。

2、一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法，是按以下步骤完成的：

3、一、碳布前处理：

4、首先对碳布进行超声清洗，然后烘干，再浸入到温度为80℃～85℃的混酸中煮，最后浸入到室温的混酸中浸泡，取出，清洗，烘干，得到处理后的碳布；

5、二、碳布上生长ag纳米线：

6、①、在搅拌条件下将agno3和聚乙烯吡咯烷酮加入到乙二醇中，再加入fecl3/乙二醇溶液中，磁力搅拌反应，得到反应液；

7、②、将反应液转入到反应釜中，密封，再将密封的反应釜放入温度为150℃～160℃的烘箱中进行水热反应，反应结束，冷却至室温，将碳布取出，清洗，得到生长有ag纳米线的碳布；

8、三、在碳布上生长ag@mno2核壳复合电极材料：

9、①、将生长有ag纳米线的碳布浸泡在醋酸锰溶液中，取出后放入高锰酸钾溶液中浸泡，再冲洗；

10、②、重复步骤三①1次～10次，再干燥，得到基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料。

11、本发明的原理：

12、本发明在碳布上生长银纳米线，银纳米线具有高的导电性和比表面积，在氧化锰材料放电时形成一个很好的电荷传输通道，可以改善氧化锰材料弱的导电性；因此本发明制备的基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料改善了材料的导电性，使氧化锰的赝电容得到充分的发挥，从而大幅提高复合材料的电化学性能，具有广阔应用前景。

13、本发明的优点：

14、mno2的电导率较低、循环性能较差、离子传输效率较弱阻碍了其成为一种高端电极材料，ag的电导率高于碳3-5个数量级，表面活性高，可以在复合材料中构筑电子转移通道，本发明引入ag，制备出的基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料可以抑制mno2电极的低内阻并增加质子(h+、na+、k+、li+)在电极表面的扩散，从而大幅提升复合电极材料的电化学性能，以基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料为正极，碳布生长的mno2电极材料为负极，pva/koh为电解质和隔膜组装成柔性全固态非对称超级电容器(ascs)，电势窗口高达1.8v，在电流密度为1a/g时，asc输出的比电容值高达173.4f/g，当功率密度为900w/kg时，该装置输出最高能量密度为78.1wh/kg，在电流密度为3a/g下充放电2000圈后，电容保持率高达91.2％，电容器性能十分优异。

技术特征：

1.一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法，其特征在于一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法是按以下步骤完成的：

2.根据权利要求1所述的一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的混酸为浓硝酸与浓硫酸的混合液，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为3:1；所述的浓硝酸的质量分数为65％，浓硫酸的质量分数为98％。

3.根据权利要求1所述的一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤一中对碳布进行超声清洗的具体方法为：依次将碳布在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中分别超声10min～15min；步骤一中浸入到温度为80℃～85℃的混酸中煮3h～4h，最后浸入到室温的混酸中浸泡20h～24h，取出，使用蒸馏水清洗3次～5次，烘干，得到处理后的碳布。

4.根据权利要求1所述的一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤二①中所述的fecl3/乙二醇溶液的溶质为fecl3，溶剂为乙二醇，其中fecl3的浓度为6×10-4mol/l～8×10-4mol/l。

5.根据权利要求1所述的一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤二①中所述的agno3的质量与乙二醇的体积比为0.2g:30ml；步骤二①中所述的聚乙烯吡咯烷酮的质量与乙二醇的体积比为0.1g:30ml；步骤二①中所述的fecl3/乙二醇溶液与乙二醇的体积比为2:30。

6.根据权利要求1所述的一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤二①中磁力搅拌反应的时间为10h～12h，磁力搅拌反应的速度为500r/min～1000r/min。

7.根据权利要求1所述的一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤二②中所述的水热反应的时间为1.5h～2h；步骤二②中将碳布取出，依次使用丙酮、蒸馏水和无水乙醇各对碳布进行清洗3次～5次，得到生长有ag纳米线的碳布。

8.根据权利要求1所述的一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤三中所述的醋酸锰溶液的浓度为5mmol/l～8mmol/l；步骤三中所述的高锰酸钾溶液的浓度为3mmol/l～5mmol/l。

9.根据权利要求1所述的一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤三①中将生长有ag纳米线的碳布浸泡在醋酸锰溶液中2min～4min，取出后放入高锰酸钾溶液中浸泡1min～2min，再使用蒸馏水冲洗1次～2次；步骤三②中重复步骤三①1次～10次，再在60℃～90℃下干燥8h～10h，得到基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料。

10.根据权利要求1～9任意一项所述的制备方法制备的一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的应用，其特征在于一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料作为超级电容器的电极材料使用。

技术总结
一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料的制备方法和应用，它涉及一种电极材料的制备方法和应用。本发明的目的是要解决现有作为超级电容器的材料价格昂贵和二氧化锰的导电性弱，作为超级电容器材料存在电化学性能差的问题。方法：一、碳布前处理；二、碳布上生长Ag纳米线；三、在碳布上生长Ag@MnO<subgt;2</subgt;核壳复合电极材料。一种基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料作为超级电容器的电极材料使用。本发明制备的基于碳布生长的银@二氧化锰核壳复合电极材料改善了材料的导电性，使氧化锰的赝电容得到充分的发挥，从而大幅提高复合材料的电化学性能，具有广阔应用前景。

技术研发人员：闫慧君,白建伟,姜艳丽,孙红镱,吴勇,李思龙
受保护的技术使用者：哈尔滨学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12