CN105590753A - 一种壳核型碳包覆锰及其合金氧化物纳米复合粒子的制备方法及其应用 - Google Patents

一种壳核型碳包覆锰及其合金氧化物纳米复合粒子的制备方法及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN105590753A
CN105590753A CN201510789516.3A CN201510789516A CN105590753A CN 105590753 A CN105590753 A CN 105590753A CN 201510789516 A CN201510789516 A CN 201510789516A CN 105590753 A CN105590753 A CN 105590753A
Authority
CN
China
Prior art keywords
manganese
carbon
coated
nano
core
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510789516.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105590753B (zh
Inventor
黄昊
王玲玲
拉蒙
余洁意
董星龙
吴爱民
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN201510789516.3A priority Critical patent/CN105590753B/zh
Publication of CN105590753A publication Critical patent/CN105590753A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105590753B publication Critical patent/CN105590753B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/24Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32Carbon-based
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • H01G11/46Metal oxides
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)

Abstract

本发明提供一种壳核型碳包覆锰及其合金氧化物纳米复合粒子的制备方法,首先使用自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备,加入适量金属锰或锰合金原料,在一定比例的惰性气体和含碳气体的混合气氛中蒸发块状金属锰或锰合金原料,获得碳包覆锰或碳包覆锰合金纳米复合粒子前驱体。然后将前驱体在反应气氛中经过加热氧化处理,得到碳包覆锰氧化物或碳包覆锰合金氧化物的纳米复合粒子。用该方法制备的纳米复合粒子具有石墨碳为壳,锰及锰合金的氧化物为核的壳-核型结构,兼有双电层电容和赝电容两种特性,大大提高了超级电容器电极的容量。

Description

一种壳核型碳包覆锰及其合金氧化物纳米复合粒子的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于纳米材料的制备技术及应用领域,涉及一种壳核型碳包覆锰及其合金氧化物纳米复合粒子的制备方法,以及作为超级电容器电极材料的应用。
背景技术
超级电容器(也称电化学电容器)具有安全系数高、循环寿命长、功率密度高、充放电速度快、工作温度范围宽、所用材料安全无毒、绿色环保等优点,被认为21世纪最有应用前景的能源之一。超级电容器的电极材料中使用最多的是具有多孔结构和高比表面积的碳材料,如活性炭、碳纤维、炭黑、碳气凝胶、碳纳米管以及石墨烯等。碳材料作为超级电容器电极材料具有很好的双电层特性,循环寿命长,但是其容量较低,电压窗口较小,限制了其在高能量密度化学电源中的应用。比如,在电动汽车的应用方面,要求超级电容器具有高的能量密度、高的安全性能以及低的成本。因此,随着超级电容器在汽车领域的发展,碳材料作为超级电容器电极材料其容量不能满足要求,必须开发高比电容、高功率密度、高循环稳定性的电极材料。
据研究可以将上述几种材料复合,通过材料之间的协同作用来提高复合电极材料的整体性能。目前,金属氧化物与碳材料复合是人们的研究热点之一。金属氧化物作为超级电容器电极材料,与电解液之间发生电化学反应,具有赝电容性能,具有较高的比容量,通常是双电层电容的10~100倍。但是金属氧化物的导电性较差,不利于电子的传导。碳材料导电性和结构稳定性较好,作为超级电容器电极材料时具有双电层特性和很好的循环稳定性,但是其比容量较小,无法满足市场的需求。因此,金属氧化物和碳材料的复合将有利于克服这两种材料的不足之处。如KaibingXu等人在NewJournalofChemistry.(201337(12)4031-4036)中报道了采用水热法直接合成的NiOC纳米复合材料,并将其用作超级电容器电极材料。在1MKOH电解液中,当电流密度为2A/g时,比电容为931F/g。且充放电循环6000次后,其比电容仅损耗了7%,说明该材料具有较高的比电容和很好的循环稳定性。
过渡金属锰资源丰富,成本较低且绿色无污染,所以将锰的氧化物作为超级电容器电极材料得到了广泛关注。但是,锰的结构不稳定、导电性较差,因此需要导电性较好、结构较稳定的材料与其复合,通过金属间的协同作用来提高性能。专利(CN104752073A)公开了一种锰铁氧化物/碳复合材料的制备方法,该方法制备的MnO-MnFe2O4/C复合材料是MnO-MnFe2O4与C复合的异质结结构,不是核壳型的碳包覆结构。核壳型结构的纳米材料作为电极材料的优点在于颗粒外面的碳壳层不但具有双电层电容特性,还可以消减在充电时金属氧化物核发生体积膨胀所带来的损害性影响,大大提高了金属氧化物核的稳定性。碳壳和金属氧化物核具有协同作用,兼有双电层电容和赝电容两种特性,使材料具有高的能量密度。目前碳包覆金属氧化物主要采用化学法来合成,制备方法复杂,副产物较多且不易重复。因此,如何便捷有效地制备壳核型碳包覆锰及其合金氧化物纳米复合粒子是当前研究的热点和难题之一。
自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备(ZL200410021190.1)由粉体生成室、粉体粒度分级室、粉体捕集室、粉体处理室、真空系统、气体循环系统、液压传动系统、水冷系统和编程控制系统组成;粉体生成室中安装阴极和阳极,并穿过粉体生成室壁与外部液压传动和编程控制系统连接;制备粉体时,将物料装入阳极,与阴极形成10~30mm的间隙,整个设备抽真空,通冷却水。通入活性气体和冷凝气体后,启动电源和起弧器,在阴极和阳极之间形成电弧,物料开始蒸发冷凝并形成纳米粉体颗粒。
利用自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备制备碳包覆纳米材料具有工艺简单、宏量制备以及利于工业化生产等优点。以制备的纳米粉体作为电极负极材料可以获得高比容量、高循环寿命等优异性能。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种壳核型碳包覆锰及其合金氧化物纳米复合粒子的制备方法,用该方法制备的纳米复合粒子具有石墨碳为壳,锰及锰合金的氧化物为核的壳-核型结构,兼有双电层电容和赝电容两种特性,大大提高了超级电容器电极的容量。
为实现上述目的,本发明采用本课题组发明的自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备,技术方案为:
首先使用自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备,加入适量金属锰或锰合金原料,在一定比例的惰性气体和含碳气体的混合气氛中蒸发块状金属锰或锰合金原料,获得碳包覆锰或碳包覆锰合金纳米复合粒子前驱体。然后将前驱体在反应气氛中经过加热氧化处理,得到碳包覆锰氧化物或碳包覆锰合金氧化物的纳米复合粒子。
一种壳核型碳包覆锰纳米复合粒子的制备方法,包括以下步骤:
1)将50~150g锰放置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备粉体生成室的阳极上,粉体生成室中通入含碳气体和惰性气体,粉体生成室的总气压保持在1×104Pa~9×104Pa,引弧蒸发锰后得到碳包覆锰纳米复合粒子前驱体;
所述的锰为固体锰块或由粉末压制而成的锰块,锰的纯度为99.99%及以上;
所述的含碳气体和惰性气体的比例为1:2~1:0.05;
所述的惰性气体为氦气、氖气或氩气的一种及其组合;
所述的含碳气体为丁烷、丁烯、丙烷、丙烯、丙炔、乙烷、乙烯、乙炔或甲烷的一种及其组合;
2)将碳包覆锰纳米复合粒子前驱体放入真空管式炉中,先烘干,然后抽真空通入少量氧气,200~600℃条件下氧化处理2~6h,冷却至室温,获得碳包覆锰氧化物纳米复合粒子。在氧化处理过程中,氧气或空气通过碳壳进入核芯,与锰、锰合金发生反应,形成碳包覆锰氧化物或者碳包覆锰合金氧化物的壳核型纳米结构。
一种壳核型碳包覆锰合金氧化物纳米复合粒子的制备方法,包括以下步骤:
1)将70~150g锰合金放置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备粉体生成室的阳极上,在粉体生成室中通入惰性气体,接通电源引弧,将锰合金熔融,冷却至室温后抽真空,通入含碳气体和惰性气体,粉体生成室的总气压保持在1×104Pa~9×104Pa,引弧蒸发锰合金后得到碳包覆锰合金纳米复合粒子前驱体;
所述的锰合金中,锰与其他金属的质量比为9:1~2:3;
所述的锰合金中其他金属元素包括主族金属粉体元素Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Sr、Ba、Al、Ga、In、Tl、Sn、Pb、Bi;准金属粉体元素B、Si、Ge、As、Sb、Se、Te;过渡金属粉体元素Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au;稀土金属粉体元素La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种及几种混合。
所述的含碳气体和惰性气体的比例为1:2~1:0.05;
所述的惰性气体为氦气、氖气、氩气的一种及其组合;
所述的含碳气体为丁烷、丁烯、丙烷、丙烯、丙炔、乙烷、乙烯、乙炔、甲烷的一种及其组合;
2)将碳包覆锰合金纳米复合粒子前驱体放入真空管式炉中,先烘干,然后抽真空通入氧气,200~600℃条件下氧化处理2~6h,冷却至室温,获得碳包覆锰合金氧化物纳米复合粒子。在氧化处理过程中,氧气或空气通过碳壳进入核芯,与锰、锰合金发生反应,形成碳包覆锰氧化物或者碳包覆锰合金氧化物的壳核型纳米结构。
上述制备的纳米复合粒子用于制备电极应用在超级电容器领域,将碳包覆锰氧化物或者锰合金氧化物纳米复合粒子作为活性材料,活性材料与粘结剂均匀分散于有机溶剂中,将有机溶剂烘成为半干状,涂在泡沫镍上,在5~15MPa的压力下压制,制成超级电容器电极;电极在重量浓度为10wt%~30wt%水性电解液中,采用常规三电极测试系统测其电化学性能。
所述的活性材料与粘结剂的质量比为80:20~95:5;
所述的粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯或聚丙烯酸中的一种;
所述的有机溶剂为乙醇、醋酸甲酯、醋酸乙酯或醋酸丙酯中的一种;
所述的水性电解液为KOH、NaOH、KCl或NaCl。
本发明的有益效果:
1)原料资源丰富,成本较低,制备过程简单,可规模化生产;
2)产物中碳壳层的存在可以有效抑制氧化物核的体积膨胀,避免氧化物纳米粒子因与电解质反应而造成的粉化及失效;可以防止锰氧化物及锰合金氧化物纳米复合粒子间的团聚;
3)碳基纳米材料具有高导电性和良好的循环稳定性,锰氧化物及锰合金氧化物具有高比容量和能量密度的特性;基于两种物质的优点,本发明制备的纳米复合粒子具有高的功率密度、高的能量密度和高的循环稳定性等综合优势。
附图说明
图1是按实施例1所合成的碳包覆锰氧化物纳米复合粒子的X射线衍射(XRD)图。
图2是按实施例1所合成的碳包覆锰氧化物纳米复合粒子的透射电子显微镜(TEM)图。
图3是按实施例1所合成的碳包覆锰氧化物纳米复合粒子在不同扫描速率下的循环伏安曲线。
图4是按实施例4所合成的碳包覆镍锰合金氧化物纳米复合粒子的XRD图。
图5是按实施例4所合成的碳包覆镍锰合金氧化物纳米复合粒子在不同电流密度下的充放电曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明的技术方案进一步说明。
实施例1:
取50g金属锰粉末压制成块体,将其置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中蒸发,同时通入比例为1:2的甲烷和氩气,总气压为3×104Pa,得到外壳是碳,核心是锰的碳包覆锰纳米复合粒子前驱体;将碳包覆锰纳米复合粒子前驱体放入真空管式炉中干燥,然后抽真空通入氧气,在300℃下加热处理4小时,冷却至室温,得到碳包覆锰氧化物纳米复合粒子。
将上述碳包覆锰氧化物纳米复合粒子制成超级电容器的电极,按活性材料:聚偏氟乙烯为95:5的质量比分散在乙醇里,在烘干箱里烘成半干状,涂在泡沫镍上,在10MPa的压力下压制,做成超级电容器电极,电解液为30wt%的KOH溶液,采用常规三电极测试系统测其电化学性能。
本发明制得的碳包覆锰氧化物纳米复合粒子作为超级电容器的电极材料时,在室温下测得其CV电压窗口为0~-0.8V,在不同扫描速率下进行循环伏安测试。以扫描速率为0.005V/s时测试的循环伏安曲线计算得到比容量为202F/g,循环性能稳定。
实施例1所合成的碳包覆锰氧化物纳米复合粒子的XRD图如图1所示。由图中衍射峰确定该复合粒子中主要含有Mn2O和Mn3O4相。
实施例1所合成的碳包覆锰氧化物纳米复合粒子的TEM图如图2所示。可以看出该复合粒子是壳核型纳米结构,其中外壳为碳,核心为Mn2O和Mn3O4
实施例1所合成的碳包覆锰氧化物纳米复合粒子作为超级电容器电极材料时,不同扫描速率下测得的循环伏安曲线如图3所示。CV曲线中出现了氧化还原峰,表明电极具有赝电容特性。另外,CV曲线还具有较大的宽度,表现出一定的双电层特性。说明该碳包覆锰氧化物纳米复合粒子兼有赝电容和双电层电容两种特性。
实施例2:
取100g金属锰粉末压制成块体,将其置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中蒸发,同时通入比例为1:1的丁烯和氩气,总气压为9×104Pa,得到外壳是碳,核心是锰的碳包覆锰纳米复合粒子前驱体;将碳包覆锰纳米复合粒子前驱体放入真空管式炉中干燥,然后抽真空通入氧气,在400℃下加热处理4小时,冷却至室温,得到碳包覆锰氧化物纳米复合粒子。
将上述碳包覆锰氧化物纳米复合粒子制成超级电容器的电极,按活性材料:聚偏氟乙烯为90:10的质量比分散在醋酸甲酯里,在烘干箱里烘成半干状,涂在泡沫镍上,在15MPa的压力下压制,做成超级电容器电极,电解液为20wt%的KOH溶液,采用常规三电极测试系统测其电化学性能。
实施例3:
取150g金属锰粉末压制成块体,将其置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中蒸发,同时通入比例为4:3的丙烯和氩气,总气压为7×104Pa,得到外壳是碳,核心是锰的碳包覆锰纳米复合粒子前驱体;将碳包覆锰纳米复合粒子前驱体放入真空管式炉中干燥,然后抽真空通入氧气,在350℃下加热处理4小时,冷却至室温,得到碳包覆锰氧化物纳米复合粒子。
将上述碳包覆锰氧化物纳米复合粒子制成超级电容器的电极,按活性材料:聚四氟乙烯为88:12的质量比分散在醋酸乙酯里,在烘干箱里烘成半干状,涂在泡沫镍上,在5MPa的压力下压制,做成超级电容器电极,电解液为20wt%的KCl溶液,采用常规三电极测试系统测其电化学性能。
实施例4:
分别取40g锰金属粉和60g镍金属粉混合均匀,按锰:镍为2:3比例混合,压制成块体并将其放入自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中。先在1×104Pa的氩气气氛中,接通电源引弧,将此镍锰合金原料熔融。冷却至室温后抽真空,再通入比例为1:2的甲烷和氩气,总气压为3×104Pa。得到外壳是碳,核心是镍锰合金的碳包覆锰合金纳米复合粒子前驱体;将碳包覆锰合金纳米复合粒子前驱体放入真空管式炉中干燥,然后抽真空通入氧气,加热至400℃,反应2小时后冷却至室温,得到碳包覆镍锰合金氧化物纳米复合粒子。
本实施例得到的碳包覆镍锰合金氧化物纳米复合粒子,以此制作电极及电化学测试条件均与实施例1中相同。
本发明制得的碳包覆镍锰合金氧化物纳米复合粒子作为超级电容器的电极材料时,在室温下其电势窗口为0~-0.8V。在不同电流密度下测试充放电曲线。以电流密度为0.3A/g时测试的充放电曲线计算得到比容量为327.75F/g,比碳包覆锰氧化物纳米复合粒子的比电容大,说明镍的加入,提高了锰的电容特性。
实施例4所合成的碳包覆镍锰合金氧化物纳米复合粒子的XRD图谱如图4所示。由图中衍射峰确定该复合粒子中主要含有Mn3O4和NiO相。
实施例4所合成的碳包覆镍锰合金氧化物纳米复合粒子作为超级电容器电极材料时,不同电流密度下测得的充放电曲线如图5所示。充放电曲线中出现了反应峰,表明电极具有赝电容特性。曲线中还含有快速充放电的直线部分,表现出一定的双电层电容特性。
实施例5:
分别取105g锰金属粉和45g铁金属粉混合均匀,按锰:铁为7:3比例混合,压制成块体并将其放入自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中。先在1×104Pa的氦气气氛中,接通电源引弧,将此铁锰合金原料熔融。冷却至室温后抽真空,再通入比例为1:1的乙烷和氦气,总气压为9×104Pa。得到外壳是碳,核心是铁锰合金的纳米粒子前驱体;将碳包覆锰合金纳米复合粒子前驱体放入真空管式炉中干燥,然后抽真空通入氧气,加热至200℃,反应6小时后冷却至室温,得到碳包覆铁锰合金氧化物纳米复合粒子。
将上述碳包覆铁锰合金氧化物纳米复合粒子制成超级电容器的电极,按活性材料:聚四氟乙烯为80:20的质量比分散在醋酸丙酯里,在烘干箱里烘成半干状,涂在泡沫镍上,在12MPa的压力下压制,做成超级电容器电极,电解液为20wt%的NaOH溶液,采用常规三电极测试系统测其电化学性能。
实施例6:
分别取50g锰金属粉和50g锡金属粉混合均匀,按锰:锡为1:1比例混合,压制成块体并将其放入自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中。先在1×104Pa的氖气气氛中,接通电源引弧,将此锡锰合金原料熔融。冷却至室温后抽真空,再通入比例为1:0.05的乙炔和氖气,总气压为6.3×104Pa。得到外壳是碳,核心是锡锰合金的纳米粒子前驱体;将此前驱体放入真空管式炉中干燥,然后抽真空通入氧气,加热至600℃,反应3小时后冷却至室温,得到碳包覆锡锰合金氧化物纳米复合粒子。
将上述碳包覆锡锰合金氧化物纳米复合粒子制成超级电容器的电极,按活性材料:聚偏二氟乙烯为90:10的质量比分散在乙醇里,在烘干箱里烘成半干状,涂在泡沫镍上,在8MPa的压力下压制,做成超级电容器电极,电解液为10wt%的NaCl溶液,采用常规三电极测试系统测其电化学性能。
实施例7:
分别取42g锰金属粉和28g准金属硅粉混合均匀,按锰:硅为3:2比例混合,压制成块体并将其放入自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中。先在1×104Pa的氩气气氛中,接通电源引弧,将此硅锰合金原料熔融。冷却至室温后抽真空,再通入比例为2:3的丙烷和氩气,总气压为5×104Pa。得到外壳是碳,核心是硅锰合金的纳米粒子前驱体;将此前驱体放入真空管式炉中干燥,然后抽真空通入氧气,加热至500℃,反应4小时后冷却至室温,得到碳包覆硅锰合金氧化物纳米复合粒子。
将上述碳包覆硅锰合金氧化物纳米复合粒子制成超级电容器的电极,按活性材料:聚丙烯酸为85:15的质量比分散在醋酸丙酯里,在烘干箱里烘成半干状,涂在泡沫镍上,在10MPa的压力下压制,做成超级电容器电极,电解液为25wt%的KCl溶液,采用常规三电极测试系统测其电化学性能。
实施例8:
分别取117g锰金属粉、13g金属镧粉混合均匀,按锰:镧为9:1比例混合,压制成块体并将其放入自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中。先在1×104Pa的氩气气氛中,接通电源引弧,将此镧锰合金原料熔融。冷却至室温后抽真空,再通入比例为4:5的丁烷和氩气,总气压为4.5×104Pa。得到外壳是碳,核心是镧锰合金的纳米粒子前驱体;将此前驱体放入真空管式炉中干燥,然后抽真空通入氧气,加热至600℃,反应5小时后冷却至室温,得到碳包覆镧锰合金氧化物纳米复合粒子。
将上述碳包覆镧锰合金氧化物纳米复合粒子制成超级电容器的电极,按活性材料:聚四氟乙烯为87.5:12.5的质量比分散在醋酸乙酯里,在烘干箱里烘成半干状,涂在泡沫镍上,在14MPa的压力下压制,做成超级电容器电极,电解液为15wt%的NaOH溶液,采用常规三电极测试系统测其电化学性能。

Claims (8)

1.一种壳核型碳包覆锰纳米复合粒子的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将50~150g锰放置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备粉体生成室的阳极上,粉体生成室中通入含碳气体和惰性气体,粉体生成室的总气压保持在1×104Pa~9×104Pa,引弧蒸发锰后得到碳包覆锰纳米复合粒子前驱体;
锰的纯度为99.99%及以上;
所述的含碳气体和惰性气体的比例为1:2~1:0.05;
所述的含碳气体为丁烷、丁烯、丙烷、丙烯、丙炔、乙烷、乙烯、乙炔或甲烷的一种及其组合;
2)将碳包覆锰纳米复合粒子前驱体放入真空管式炉中,烘干后抽真空通入氧气,200~600℃条件下氧化处理2~6h,冷却至室温,获得碳包覆锰氧化物纳米复合粒子。
2.根据权利要求1所述的壳核型碳包覆锰纳米复合粒子的制备方法,其特征在于,所述的锰为固体锰块或由粉末压制而成的锰块;所述的惰性气体为氦气、氖气或氩气的一种及其组合。
3.一种壳核型碳包覆锰合金氧化物纳米复合粒子的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将70~150g锰合金放置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备粉体生成室的阳极上,在粉体生成室中通入惰性气体,接通电源引弧,将锰合金熔融,冷却至室温后抽真空,通入含碳气体和惰性气体,粉体生成室的总气压保持在1×104Pa~9×104Pa,引弧蒸发锰合金后得到碳包覆锰合金纳米复合粒子前驱体;
所述的锰合金中,锰与其他金属的质量比为9:1~2:3;
所述的含碳气体和惰性气体的比例为1:2~1:0.05;
所述的含碳气体为丁烷、丁烯、丙烷、丙烯、丙炔、乙烷、乙烯、乙炔或甲烷的一种及其组合;
2)将碳包覆锰合金纳米复合粒子前驱体放入真空管式炉中,烘干后抽真空通入氧气,200~600℃条件下氧化处理2~6h,冷却至室温,获得碳包覆锰合金氧化物纳米复合粒子。
4.根据权利要求3所述的壳核型碳包覆锰合金氧化物纳米复合粒子的制备方法,其特征在于,所述的锰合金中其他金属元素为主族金属粉体元素、准金属粉体元素、过渡金属粉体元素或稀土金属粉体元素中的一种及几种混合;
所述的惰性气体为氦气、氖气、氩气的一种及其组合。
5.用权利要求1或2所述的壳核型碳包覆锰纳米复合粒子制备电极,其特征在于,碳包覆锰氧化物纳米复合粒子与粘结剂均匀分散于有机溶剂中,将有机溶剂烘为半干状,涂在泡沫镍上,在5~15MPa的压力下压制成电极;
所述的碳包覆锰氧化物纳米复合粒子与粘结剂的质量比为80:20~95:5;
所述的粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯或聚丙烯酸中的一种;
所述的有机溶剂为乙醇、醋酸甲酯、醋酸乙酯或醋酸丙酯中的一种。
6.用权利要求3或4所述的碳包覆锰合金氧化物纳米复合粒子制备电极,其特征在于,碳包覆锰合金氧化物纳米复合粒子与粘结剂均匀分散于有机溶剂中,将有机溶剂烘为半干状,涂在泡沫镍上,在5~15MPa的压力下压制成电极;
所述的碳包覆锰合金氧化物纳米复合粒子与粘结剂的质量比为80:20~95:5;
所述的粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯或聚丙烯酸中的一种;
所述的有机溶剂为乙醇、醋酸甲酯、醋酸乙酯或醋酸丙酯中的一种。
7.权利要求5所述的电极应用于超级电容器。
8.权利要求6所述的电极应用于超级电容器。
CN201510789516.3A 2015-11-17 2015-11-17 一种壳核型纳米复合粒子的制备方法及其应用 Active CN105590753B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510789516.3A CN105590753B (zh) 2015-11-17 2015-11-17 一种壳核型纳米复合粒子的制备方法及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510789516.3A CN105590753B (zh) 2015-11-17 2015-11-17 一种壳核型纳米复合粒子的制备方法及其应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105590753A true CN105590753A (zh) 2016-05-18
CN105590753B CN105590753B (zh) 2018-07-13

Family

ID=55930250

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510789516.3A Active CN105590753B (zh) 2015-11-17 2015-11-17 一种壳核型纳米复合粒子的制备方法及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105590753B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106159289A (zh) * 2016-07-05 2016-11-23 张启辉 锰氧化物表面包覆石墨的复合材料及其制备方法
CN106219597A (zh) * 2016-07-13 2016-12-14 盐城工学院 一种高性能介孔二氧化锡基材料的制备方法及其所得材料和应用
CN111203249A (zh) * 2019-09-18 2020-05-29 杭州电子科技大学 一种石墨烯包覆过渡金属碳化物纳米胶囊的制备方法及其在微波催化领域的应用
CN111554524A (zh) * 2020-03-31 2020-08-18 中天超容科技有限公司 双电层电容器及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2749814C1 (ru) * 2020-09-29 2021-06-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук СПОСОБ СИНТЕЗА НАНОКОМПОЗИТА Mn-O-C

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102623696A (zh) * 2012-03-31 2012-08-01 大连理工大学 一种壳核型碳包覆氮化铁纳米复合粒子制备方法与应用
CN103606654A (zh) * 2012-12-21 2014-02-26 燕山大学 一种碳包覆锰氧化物复合材料的制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102623696A (zh) * 2012-03-31 2012-08-01 大连理工大学 一种壳核型碳包覆氮化铁纳米复合粒子制备方法与应用
CN103606654A (zh) * 2012-12-21 2014-02-26 燕山大学 一种碳包覆锰氧化物复合材料的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘春静: ""锂离子电池锡基纳米负极材料制备及储锂性能"", 《大连理工大学博士学位论文》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106159289A (zh) * 2016-07-05 2016-11-23 张启辉 锰氧化物表面包覆石墨的复合材料及其制备方法
CN106219597A (zh) * 2016-07-13 2016-12-14 盐城工学院 一种高性能介孔二氧化锡基材料的制备方法及其所得材料和应用
CN106219597B (zh) * 2016-07-13 2017-12-26 盐城工学院 一种高性能介孔二氧化锡基材料的制备方法及其所得材料和应用
CN111203249A (zh) * 2019-09-18 2020-05-29 杭州电子科技大学 一种石墨烯包覆过渡金属碳化物纳米胶囊的制备方法及其在微波催化领域的应用
CN111554524A (zh) * 2020-03-31 2020-08-18 中天超容科技有限公司 双电层电容器及其制备方法
CN111554524B (zh) * 2020-03-31 2022-07-05 中天超容科技有限公司 双电层电容器及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105590753B (zh) 2018-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Quan et al. Construction of hierarchical nickel cobalt selenide complex hollow spheres for pseudocapacitors with enhanced performance
Iqbal et al. High performance supercapattery incorporating ternary nanocomposite of multiwalled carbon nanotubes decorated with Co3O4 nanograins and silver nanoparticles as electrode material
Ahuja et al. Electrochemical behaviour of manganese & ruthenium mixed oxide@ reduced graphene oxide nanoribbon composite in symmetric and asymmetric supercapacitor
Rai et al. Partially reduced Co3O4/graphene nanocomposite as an anode material for secondary lithium ion battery
Zhang et al. Pitaya-like Sn@ C nanocomposites as high-rate and long-life anode for lithium-ion batteries
Zhang et al. Ultrasmall Sn nanoparticles embedded in spherical hollow carbon for enhanced lithium storage properties
Jiang et al. Enhanced electrochemical performances of FeO x–graphene nanocomposites as anode materials for alkaline nickel–iron batteries
Wang et al. Synergistic effect of Co3O4@ C@ MnO2 nanowire heterostructures for high-performance asymmetry supercapacitor with long cycle life
CN105590753A (zh) 一种壳核型碳包覆锰及其合金氧化物纳米复合粒子的制备方法及其应用
Hwang et al. Behavior of NiO–MnO2/MWCNT composites for use in a supercapacitor
Zhang et al. Solid-solution-like ZnO/C composites as excellent anode materials for lithium ion batteries
Xie et al. Graphene enhanced anchoring of nanosized Co3O4 particles on carbon fiber cloth as free-standing anode for lithium-ion batteries with superior cycling stability
Sun et al. Fe2O3/CNTs composites as anode materials for lithium-ion batteries
Yu et al. Hollow porous carbon spheres doped with a low content of Co3O4 as anode materials for high performance lithium-ion batteries
EP3846249A1 (en) Silicon-based negative electrode material of lithium ion battery and preparation method therefor, and battery
Liu et al. Mo2C@ onion-like carbon/amorphous carbon nanocomposites as outstanding anode materials for ideal lithium-ion batteries
CN102623669A (zh) 一种碳锡纳米复合粉体的制备方法与应用
Dai et al. High-yield synthesis of carbon nanotube–porous nickel oxide nanosheet hybrid and its electrochemical capacitance performance
Oh et al. Highly efficient hierarchical multiroom-structured molybdenum carbide/carbon composite microspheres grafted with nickel-nanoparticle-embedded nitrogen-doped carbon nanotubes as air electrode for lithium-oxygen batteries
Zhai et al. Synthesis of Ni (OH) 2/graphene composite with enhanced electrochemical property by stirring solvothermal method
Han et al. A facile one-pot synthesis of FeOx/carbon/graphene composites as superior anode materials for lithium-ion batteries
Zhu et al. A metal–organic-framework derived NiFe2O4@ NiCo-LDH nanocube as high-performance lithium-ion battery anode under different temperatures
Wang et al. Facile premixed flame synthesis C@ Fe2O3/SWCNT as superior free-standing anode for lithium-ion batteries
CN105140464A (zh) 碳包氧化镍纳米片负载在石墨烯上的纳米复合材料及其制备方法
Zhu et al. MOF-derived MnO/C composites as high-performance lithium-ion battery anodes

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant