阅读说明：本技术 一种松果状MnO2球/泡沫碳复合材料及其制备方法 (Pinecone-shaped MnO2Ball/foam carbon composite material and preparation method thereof ) 是由 严学华 袁小雪 周辰 王静静 程晓农 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及超级电容器,特指一种松果状MnO_2球/泡沫碳复合材料及其制备方法。首先通过碳化制备出碳泡沫,然后再水热反应生成MnO_2球/泡沫碳复合材料,该复合材料作为超级电容电极材料表现出优异的电化学性能,且制备工艺简单,在超级电容器储能领域具有很大的应用。(The invention relates to a super capacitor, in particular to pinecone-shaped MnO 2 Ball/foam carbon composite material and its preparation method. Firstly, preparing carbon foam through carbonization, and then generating MnO through hydrothermal reaction 2 The composite material is used as a super capacitor electrode material, shows excellent electrochemical performance, is simple in preparation process, and has great application in the field of super capacitor energy storage.)

一种松果状MnO2球/泡沫碳复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及超级电容器，特指一种松果状MnO₂球/泡沫碳复合材料及其制备方法。首先通过碳化制备出碳泡沫，然后再水热反应生成MnO₂球/泡沫碳复合材料，该复合材料作为超级电容电极材料表现出优异的电化学性能，且制备工艺简单，在超级电容器储能领域具有很大的应用。

背景技术

全球经济的快速发展、化石燃料的枯竭以及环境污染的加剧，促使人们对环保、高效能源存储器件的需求增加。在众多能源存储器件中，超级电容器因其长循环寿命、高功率密度和低成本而成为人们研究的热点。

泡沫碳是一种轻质多孔材料，具有由无定形碳组成的三维网状形貌。泡沫碳作为一种有前景的超级电容器电极材料，具有良好的化学稳定性、密度低、电导率大、成本低等优点。Min和Chen等研究了碳泡沫的前驱体对孔结构的影响，聚氨酯泡沫体作为一种具有低相对分子质量，窄相对分子质量分布的原料，可以形成优良的孔结构，用于沥青基碳泡沫(]Min Zhenhua，Cao Min，Zhang Shu，et al.Effect of precursor on the pore structureof carbon foams[J].New Carbon Materials，2007，22(1):57-59；Chen Chong，ElliotKennel B，Stiller Alfred H，et al.Carbon foam derived from various precursors[J].Carbon，2006，44(8):1535-1543.)。这些研究为碳泡沫的结构控制建立了坚实的理论和实验基础。基于三聚氰胺(蜜胺)泡沫是一种碱性三聚氰胺甲醛树脂经过特殊工艺微波发泡制成的纳米级三维网状交联结构的软质热固性泡沫塑料，由于三聚氰胺泡沫由三维网状开孔结构构成和高开孔率(开孔率高达99.9％)，所以这种泡沫碳较为适合作为电极材料。然而，泡沫碳本身作为电极材料所具有较低的比电容制约了泡沫碳在超级电容器领域的应用。

本发明的目的是提供一种具有稳定的3D/3D复合形貌，并能解决泡沫碳单体和MnO₂单体导电性和比电容低问题的松果状MnO₂球/泡沫碳复合材料。所得产品是一种结构稳定并具有良好电化学性能的纳米复合材料。

本发明中的松果状MnO₂球/泡沫碳复合材料具有稳定的结构。松果状MnO₂球/泡沫碳复合材料尺寸均匀，松果状MnO₂球由较小的球状聚合而成，直径为10um，泡沫碳直径为4um。如图1所示。

本发明中的松果状MnO₂球/泡沫碳复合材料相比于泡沫碳单体，电化学性能显著提升。通过电压范围为-0.9到-0.2V，扫描速率为20mV/s到80mV/s的CV循环测试中，在20mV/s的扫描速率下，比容量达到了185.6F/g。如图2所示。

实现本发明所采用的技术方案为：

松果状MnO₂球/泡沫碳复合材料，该方法具有工艺简单、成本低廉等特点，所得的三维的松果状MnO₂球均匀分散在三维泡沫碳上，在超级电容器中，表现出优良的电化学性能，制备步骤如下：

(1)将三聚氰胺(密胺)泡沫塑料切成1cm×2cm×2cm的块状，并用去离子水和乙醇洗涤三次。在真空烘箱中干燥之后，将三聚氰胺(密胺)泡沫塑料块放入管式炉中，在氮气氛围中以一定升温速率a，升温至设定温度b并保温，然后再以一定的升温速率c升温至设定温度d并保温，自然冷却后将样品收集，得到泡沫碳。

所述的升温速率a为5℃/min，设定温度b为400℃，保温时间为2h；

升温速率c为5℃/min，设定温度d为700℃，保温时间为1h；

所述烘干指放在真空干燥箱中65℃的温度条件下干燥24h。

(2)将高锰酸钾溶液均匀混合在去离子水中，加入步骤(1)碳化制备的泡沫碳，持续搅拌再超声，加入柠檬酸溶液，继续搅拌一段时间，然后转移至反应釜中，在一定温度下反应，反应结束后自然冷却至室温，用去离子水和乙醇各洗涤离心三次，并在真空干燥箱中干燥。.

所述高锰酸钾溶液、去离子水和柠檬酸溶液的体积比为1:5:1。

所述的高锰酸钾溶液的浓度为0.05M。

柠檬酸溶液的浓度为0.05M。

持续搅拌的时间为20min，超声的时间为20min。

继续搅拌时间为10min。

反应温度为180℃，反应时间为7h。

干燥温度为60℃，干燥时间为10h。

附图说明

图1为松果状MnO₂球/泡沫碳复合材料的扫描电镜图。

图2为松果状MnO₂球/泡沫碳复合材料在不同扫描速率下的CV曲线图。

具体实施方案

本发明实施方案是一种工艺简单、成本相对低廉制备方法，首先通过不同温度梯度的高温法碳化法制备出了碳泡沫，然后通过水热法来合成松果状MnO₂球/泡沫碳复合材料，具有3D/3D的复合形貌特征，极大地提高了材料的比容量以及循环稳定性。

本发明涉及优良电化学性能的松果状MnO₂球/泡沫碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将三聚氰胺(密胺)泡沫塑料切成1cm×2cm×2cm的块状，并用去离子水和乙醇洗涤三次。在真空烘箱中干燥之后，将三聚氰胺(密胺)泡沫塑料块放入管式炉中，在氮气氛围中以5℃/min的升温速率升温至设定温度400℃，保温2h，然后再以5℃/min的升温速率升温至设定温度700℃，保温1h，自然冷却后将样品收集。

(2)将20ml浓度为0.05M高锰酸钾溶液均匀混合在100ml去离子水中，加入步骤(1)碳化制备的泡沫碳，持续搅拌20min再超声20min，加入20ml浓度为0.05M柠檬酸溶液，继续搅拌10min，然后转移至反应釜中，在180℃下反应7h，反应结束后自然冷却至室温，用去离子水和乙醇各洗涤离心三次，并在真空干燥箱中60℃干燥10h。