本發(fā)明屬于超級電容器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超級電容器工作電極的制備方法。

背景技術(shù)：

超級電容器又稱為電化學(xué)容器，它是介于常規(guī)電容器與二次電池之間的新型儲能器件，具有功率密度大、能量密度高、循環(huán)壽命長、充放電速度快、對環(huán)境友好等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于航空航天、國防科技、信息技術(shù)、電動汽車等各種高科技領(lǐng)域。目前，限制超級電容器大規(guī)模應(yīng)用的主要原因是能量密度偏低、成本高等原因。而影響超級電容器性能的關(guān)鍵因素在于電極材料，因此為了提高電極材料的能量密度，研究學(xué)者的目光聚焦于擁有大比表面積、高反應(yīng)活性的納米材料。納米材料包括納米粒子、納米棒、納米線、納米帶及納米片等，由于其具有尺度較小、比表面積大、特殊的物理化學(xué)性能等特點，納米材料在電化學(xué)儲能等方面展示出強大的優(yōu)勢。

迄今為止，大量的納米材料諸如石墨烯、過度金屬氧化物或氫氧化物以及導(dǎo)電聚合物等被廣泛用作超級電容器電極材料。在這些材料當(dāng)中，二維材料被當(dāng)做最好的選擇，主要原因是二維材料形成層狀結(jié)構(gòu)時，具有力學(xué)完整性，并且二維材料較大的比表面積暴露更多反應(yīng)活性位點，更有利于電極反應(yīng)進行。Zhao等使用石墨烯為模板合成制備了MnO₂超薄片，該材料極大的比表面積以及較高的比容量使其成為優(yōu)秀的超級電容器電極材料。三維多孔納米材料由于其高度有序、孔道連續(xù)、特殊的光學(xué)性質(zhì)等在生物傳感、電化學(xué)性能測試、水處理等方面有廣泛的應(yīng)用。有研究SiO₂球、聚苯乙烯球(PS球)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)球等單分散球按一定方式排列堆積起來，形成密堆積、長程有序的三維模板也逐漸引起研究學(xué)者的重視，使用排列后的模板便可制得三維多孔納米材料。Liu等人使用三維有序PMMA球為模板首次合成出MnO₂/3DOM 復(fù)合材料。其中MnO₂顆粒均勻分布在三維碳支撐骨架中，作為超級電容器材料進行測試時，在0.5 A/g的電流密度下能夠獲得高達(dá)1178 F/g的比容量。三維花狀Fe₂O₃、NiCo₂O₄、Mg-Al-LDHS、酞菁鐵、Ag/CuO、α-MnO₂、Ag等也廣泛研究。諸多金屬氧化物中，廉價、自然界中廣泛存在、對環(huán)境無公害的二氧化錳成為極具應(yīng)用潛能的電極材料，具有大比表面積的二氧化錳納米片更是脫穎而出，成為儲能材料的首選研究物質(zhì)。2013年Zhao等人使用石墨烯作為模板合成出超薄片狀MnO₂；2014年Zhao Yong等人用碳球作為模板合成出C@MnO₂材料，Kundu等人以泡沫鎳為基底合成出多孔超薄MnO₂納米片。三維多孔結(jié)構(gòu)的納米MnO₂片在超級電容器電極性能研究和應(yīng)用還未見報道，因此，探索制備高性能的三維結(jié)構(gòu)納米MnO₂材料用于超級電容器材料，有利于促進超級電容器的制備研究和應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供了一種工藝簡單且成本低廉的超級電容器工作電極的制備方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種超級電容器工作電極的制備方法，其特征在于具體步驟為：

（1）三維凝聚碳球模板的制備，將2g分析純葡萄糖溶于40mL去離子水中，再加入0.3g石膏晶須，然后將溶解后得到的澄清透明溶液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜中于170℃水熱反應(yīng)12h，自然冷卻至室溫，離心收集沉淀，分別用去離子水、乙醇洗滌沉淀，再于80℃烘干12h得到平均粒徑為500nm的三維凝聚碳球模板，將制得的三維凝聚碳球模板于350℃煅燒4h進行活化處理待用；

（2）多孔納米結(jié)構(gòu)MnO₂的制備，將0.15g分析純高錳酸鉀溶解于50mL去離子水中，再加入0.05g活化處理后的三維凝聚碳球模板，攪拌使其分散于高錳酸鉀溶液中，將混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)容器中于70℃的油浴中回流反應(yīng)36h，然后自然冷卻至室溫，離心收集沉淀，用去離子水、乙醇洗滌，再于50℃烘干得到多孔納米結(jié)構(gòu)MnO₂；

（3）超級電容器工作電極的制備，將制備的多孔納米結(jié)構(gòu)MnO₂、乙炔黑和聚四氟乙烯粉以80:15:5的質(zhì)量比例混合研磨，在異丁醇中分散均勻后涂抹于泡沫鎳上晾干得到超級電容器工作電極。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：本發(fā)明采用水熱法制備三維凝聚碳球模板用于制備多孔納米結(jié)構(gòu)MnO₂與其它方法相比容易操作，而且成本低廉；用該三維多孔納米結(jié)構(gòu)MnO₂制得超級電容器獲得了較高的比容量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例制得的三維凝聚碳球模板的SEM圖和TEM圖；

圖2是本發(fā)明實施例制得的多孔納米結(jié)構(gòu)MnO₂的SEM圖；

圖3是本發(fā)明實施例制得的超級電容器0-1V范圍內(nèi)，不同掃描速度下的CV曲線；

圖4是本發(fā)明實施例制得的超級電容器在不同電流密度下的充放電曲線；

圖5是本發(fā)明實施例制得的超級電容器在1A·g^-1電流密度下不同圈數(shù)的充放電曲線；

圖6是本發(fā)明實施例制得的超級電容器在1A·g^-1電流密度下的循環(huán)特性曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明，但并不以任何形式限制本發(fā)明的內(nèi)容。

實施例

三維凝聚碳球模板的制備

將2g分析純葡萄糖溶于40mL去離子水中，再加入0.3g石膏晶須，然后將溶解后得到的澄清透明溶液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜中于170℃水熱反應(yīng)12h，自然冷卻至室溫，離心收集沉淀，分別用去離子水、乙醇洗滌沉淀，再于80℃烘干12h得到平均粒徑為500nm的三維凝聚碳球模板，將制得的三維凝聚碳球模板于350℃煅燒4h進行活化處理待用；

多孔納米結(jié)構(gòu)MnO₂的制備

將0.15g分析純高錳酸鉀溶解于50mL去離子水中，再加入0.05g活化處理后的三維凝聚碳球模板，攪拌使其分散于高錳酸鉀溶液中，將混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)容器中于70℃的油浴中回流反應(yīng)36h，然后自然冷卻至室溫，離心收集沉淀，用去離子水、乙醇洗滌，再于50℃烘干得到多孔納米結(jié)構(gòu)MnO₂；

超級電容器工作電極的制備，將制備的多孔納米結(jié)構(gòu)MnO₂、乙炔黑和聚四氟乙烯粉以80:15:5的質(zhì)量比例混合研磨，在異丁醇中分散均勻后涂抹于泡沫鎳上晾干得到超級電容器工作電極。使用傳統(tǒng)的三電極體系進行測試，以Pt絲電極為對電極，Hg/HgO電極為參比電極，電解液為1 M的Na₂SO₄溶液，使用CHI 660D電化學(xué)工作站完成測試。圖3是制得的超級電容器0-1V范圍內(nèi)，不同掃描速度下的CV曲線；圖4是制得的超級電容器在不同電流密度下的充放電曲線；圖5是制得的超級電容器在1A·g^-1電流密度下不同圈數(shù)的充放電曲線；圖6是制得的超級電容器在1A·g^-1電流密度下的循環(huán)特性曲線。結(jié)果顯示用多孔納米結(jié)構(gòu)MnO₂制備的超級電容器顯示出較好的性能。

以上實施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均落入本發(fā)明保護的范圍內(nèi)。