CN105097302B - 用于超级电容器的活性碳纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超级电容器的活性碳纤维及其制备方法，包括：（1）利用浓硫酸对活性碳纤维进行亲水整理；（2）依次用乙醇、丙酮和去离子水洗净活性碳纤维后干燥；（3）配置醋酸锰溶液和醋酸铵溶液，再加入二甲亚砜溶液混合均匀，得前驱体溶液；（4）将步骤（2）中的活性碳纤维浸入前驱体溶液中，用电化学沉积法将二氧化锰纳米材料沉积在活性碳纤维表面；（5）反应完成后，将产物分别用乙醇、去离子水冲洗后干燥，煅烧，即得。本发明工艺简单、经济、生产效率高；可获得针状二氧化锰纳米阵列，并呈放射状均匀分布在活性碳纤维表面，且无需模板可大面积制备；且具有优异的电化学性能，应用前景十分广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法。
背景技术
超级电容器是一种能量密度和功率密度介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、耐大电流、充放电性能好、循环充放电寿命长和工作温度范围宽等优点。目前广泛用于超级电容器的电极材料有多孔炭材料、过渡金属氧化物和导电聚合物材料。活性碳纤维(Activated Carbon Fibers，ACFs)与粉末状的活性炭相比，前者具有更大的比表面积，不仅如此，ACFs还具有材料易加工、密度低等优点，这都有利于提高电化学电容器的性能，也说明ACFs是制备电化学电容器比较理想的电极材料。但是碳材料的电容主要依赖于双电层电容，导致其能量密度偏低，已成为超级电容器进一步发展的瓶颈。过渡金属氧化物作为超级电容器用电极材料具有很高的准法拉第电容，是双电层电容的几十倍左右，因此在能量密度上占有很大优势。但是，过渡金属氧化物材料的导电性低、大电流下的充放电特性和循环稳定性有待进一步提高，这些缺点阻碍了其在电化学领域的实际应用。因此，开发双电层电容和准法拉第电容互补的复合电极材料，有望解决超级电容器电极材料发展的瓶颈问题。
过渡金属氧化物中的二氧化锰被认为是最具吸引力的超级电容器电极材料，因为它具有价格低廉、环境友好和较高的理论比电容。此外，二氧化锰电极材料所用电解液为中性，符合现代绿色环保理念，因此受到了广泛的关注和研究。根据权威数据库检索显示，目前仅有一项清华大学申请的关于利用活性碳纤维负载二氧化锰，用于室温下脱除空气中低浓度NOx的专利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单，具有优异的电化学性能的用于超级电容器的活性碳纤维及其制备方法。
本发明的技术解决方案是：
一种用于超级电容器的活性碳纤维，其特征是：由下列方法制得：
（1）利用浓硫酸对活性碳纤维进行亲水整理；
（2）依次用乙醇、丙酮和去离子水洗净活性碳纤维后干燥；
（3）配置醋酸锰溶液和醋酸铵溶液，再加入二甲亚砜溶液混合均匀，得前驱体溶液；
（4）将步骤（2）中的活性碳纤维浸入前驱体溶液中，用电化学沉积法将二氧化锰纳米材料沉积在活性碳纤维表面；
（5）反应完成后，将产物分别用乙醇、去离子水冲洗后干燥，煅烧，即得产品。
一种用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法，其特征是：包括下列步骤：
（1）利用浓硫酸对活性碳纤维进行亲水整理；
（2）依次用乙醇、丙酮和去离子水洗净活性碳纤维后干燥；
（3）配置醋酸锰（Mn(CH3COO)2）溶液和醋酸铵（CH3COONH4）溶液，再加入二甲亚砜（DMSO）溶液混合均匀，得前驱体溶液；
（4）将步骤（2）中的活性碳纤维浸入前驱体溶液中，用电化学沉积法将二氧化锰（MnO2）纳米材料沉积在活性碳纤维表面；
（5）反应完成后，将产物分别用乙醇、去离子水冲洗后干燥，煅烧，即得产品。
步骤（1）中的浓硫酸溶液对活性碳纤维整理温度为25-100℃，处理时间为12-24小时。
步骤（2）中的洗涤具体操作为未加机械力、震荡或超声洗涤。
步骤（3）中的Mn(CH3COO)2溶液的浓度为0.05~0.2mol/L，CH3COONH4溶液的浓度为0.01~0.05 mol/L，体积比为1：0.5-2。
步骤（3）中加入DMSO的体积占前驱体溶液总体积的5~25%。
步骤（4）中的电化学沉积的工艺参数为：沉积电流为 0.5~5 mA/cm2，沉积时间为1~120 min。
步骤（5）中的煅烧温度为150~300℃，时间为1~3小时。
步骤（5）中得到反应得到的MnO2为针状纳米阵列，并呈放射状均匀分布在活性碳纤维表面。
本发明采用电化学沉积技术，通过调配特定的反应溶液，将经过处理的活性碳纤维作为工作电极浸入到反应溶液中，沉积获得电化学性能优异的放射状MnO2纳米针阵列超级电容器材料。
本发明所要解决的技术问题是，在电化学沉积技术条件下，实现精确、温和、高效制备电化学性能优异的放射状MnO2纳米针阵列，并且实现高比电容、高强电流冲击保持率及高循环稳定性的超级电容器电极材料的开发。
使用电化学工作站在1V电位窗口下，在硫酸钠溶液中对本发明所制得的放射状MnO2纳米针阵列进行电化学性能测试，结果表明该电极具有优异的循环稳定性，经过5000次循环寿命测试后，电容保持率接近106.7%；此外其倍率性能也非常优异。
本发明使用简单、温和而且高效的实验装置与方法，即可以易得、低毒、价廉的原料制备出结构独特的放射状MnO2纳米针阵列。操作过程简便、环境友好且可大规模制备，拓展了能量转化与贮存领域中新颖结构纳米材料的制备。
（1）本发明制备方法操作简单，不需要复杂设备，原料成本低廉。
（2）本发明所制得的放射状MnO2纳米针阵列形貌规整，分布均匀，且无需模板可大面积制备。
（3）本发明所制得的MnO2纳米阵列具有优异的循环稳定性和电化学倍率性能，在超级电容器、锂离子电池等储能材料领域有广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明中制备的放射状MnO2纳米针阵列的扫描电镜图片；
图2为本发明中制备的放射状MnO2纳米针阵列的X射线光电子能谱图；
图3为本发明中制备的放射状MnO2纳米针阵列的循环稳定性图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：
首先用20ml浓硫酸在50℃下对活性碳纤维进行处理12小时，然后用大量蒸馏水洗涤至中性；然后利用乙醇、丙酮和去离子水清洗活性碳纤维，干燥备用；配置浓度为0.005mol/L 的Mn(CH3COO)2和0.01 mol/L CH3COONH4溶液，再加入5%体积的DMSO，将溶液混合均匀；接着将上述处理后的活性碳纤维浸入前驱体溶液中，在0.5 mA/cm2的电化学沉积条件下沉积60min，可以观察到活性碳纤维表面逐渐被一层棕色物质所覆盖；反应完成后，将沉积产物分别用乙醇、去离子水冲洗后于60℃干燥3小时，最后在马弗炉中200℃下煅烧2h，得到产品。使用电化学工作站在1V电位窗口下，在Na2SO4溶液中对本发明所制得的产品进行电化学性能测试，经过5000次循环寿命测试后，电容保持率接近105.2%。
实施例2：
首先用30ml浓硫酸在25℃下对活性碳纤维进行处理15小时，然后用大量蒸馏水洗涤至中性；然后利用乙醇、丙酮和去离子水清洗活性碳纤维，干燥备用；配置浓度为0.01mol/L 的Mn(CH3COO)2和0.005 mol/L CH3COONH4溶液，再加入8%体积的DMSO，将溶液混合均匀；接着将上述处理后的活性碳纤维浸入前驱体溶液中，在0.6 mA/cm2的电化学沉积条件下沉积120min，可以观察到活性碳纤维表面逐渐被一层棕色物质所覆盖；反应完成后，将沉积产物分别用乙醇、去离子水冲洗后于60℃干燥3小时，最后在马弗炉中250℃下煅烧3小时，得到产品。使用电化学工作站在1V电位窗口下，在Na2SO4溶液中对本发明所制得的产品进行电化学性能测试，经过5000次循环寿命测试后，电容保持率接近104.8%。
实施例3：
首先用20ml浓硫酸在80℃下对活性碳纤维进行处理24小时，然后用大量蒸馏水洗涤至中性；然后利用乙醇、丙酮和去离子水清洗活性碳纤维，干燥备用；配置浓度为0.1mol/L 的Mn(CH3COO)2和0.02 mol/L CH3COONH4溶液，再加入25%体积的DMSO，将溶液混合均匀；接着将上述处理后的活性碳纤维浸入前驱体溶液中，在5 mA/cm2的电化学沉积条件下沉积120min，可以观察到活性碳纤维表面逐渐被一层棕色物质所覆盖；反应完成后，将沉积产物分别用乙醇、去离子水冲洗后于60℃干燥3小时，最后在马弗炉中300℃下煅烧2h，得到产品。使用电化学工作站在1V电位窗口下，在Na2SO4溶液中对本发明所制得的产品进行电化学性能测试，经过5000次循环寿命测试后，电容保持率接近107.5%。
Claims (9)
1.一种用于超级电容器的活性碳纤维，其特征是：由下列方法制得：
（1）利用浓硫酸对活性碳纤维进行亲水整理；
（2）依次用乙醇、丙酮和去离子水洗净活性碳纤维后干燥；
（3）配置醋酸锰溶液和醋酸铵溶液，再加入二甲亚砜溶液混合均匀，得前驱体溶液；
（4）将步骤（2）中的活性碳纤维浸入前驱体溶液中，用电化学沉积法将二氧化锰纳米材料沉积在活性碳纤维表面；
（5）反应完成后，将产物分别用乙醇、去离子水冲洗后干燥，煅烧，即得产品。
2.一种用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法，其特征是：包括下列步骤：
（1）利用浓硫酸对活性碳纤维进行亲水整理；
（2）依次用乙醇、丙酮和去离子水洗净活性碳纤维后干燥；
（3）配置醋酸锰溶液和醋酸铵溶液，再加入二甲亚砜溶液混合均匀，得前驱体溶液；
（4）将步骤（2）中的活性碳纤维浸入前驱体溶液中，用电化学沉积法将二氧化锰纳米材料沉积在活性碳纤维表面；
（5）反应完成后，将产物分别用乙醇、去离子水冲洗后干燥，煅烧，即得产品。
3.根据权利要求2所述的用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法，其特征是：步骤（1）中的浓硫酸溶液对活性碳纤维整理温度为25-100℃，处理时间为12-24小时。
4.根据权利要求2所述的用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法，其特征是：步骤（2）中的洗涤具体操作为未加机械力、震荡或超声洗涤。
5. 根据权利要求2所述的用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法，其特征是：步骤（3）中的Mn(CH3COO)2溶液的浓度为0.05~0.2mol/L，CH3COONH4溶液的浓度为0.01~0.05mol/L，体积比为1：0.5-2。
6.根据权利要求2所述的用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法，其特征是：步骤（3）中加入DMSO的体积占前驱体溶液总体积的5~25%。
7. 根据权利要求2所述的用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法，其特征是：步骤（4）中的电化学沉积的工艺参数为：沉积电流为 0.5~5 mA/cm2，沉积时间为1~120 min。
8.根据权利要求2所述的用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法，其特征是：步骤（5）中的煅烧温度为150~300℃，时间为1~3小时。
9.根据权利要求2所述的用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法，其特征是：步骤（5）中得到反应得到的MnO2为针状纳米阵列，并呈放射状均匀分布在活性碳纤维表面。
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