CN115650302A - 一种新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料的制备方法,其特征在于,按照如下方法制备:将略过量的高锰酸钾加水溶解,加入硫酸锰混合均匀,继续在搅拌下反应形成吸附过量高价锰酸根离子的锰氧化物胶体,然后加入碳基材料并与胶体混合均匀,放入密闭反应釜中加热反应,得到具有原位接枝结构的氧化锰碳复合材料,所述高锰酸钾与硫酸锰的摩尔比为0.67‑0.76。减弱了氧化剂的氧化活性,提高了原位接枝的选择性。碳基材料是部分氧化,碳基材料构成的电荷通路得以保留。
Description
技术领域
本发明涉及新材料领域,特别涉及一种新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料及其制备方法。
背景技术
二氧化锰由于资源丰富、价格低廉、生产简单、密度较高、以及具有合适的电化学活性,已经被广泛应用于各种储能器件。但纯的二氧化锰导电率低,会严重影响其电化学活性,尤其是在大电流放电条件下,二氧化锰的放电性能被严重限制,因此,将二氧化锰与碳基材料共混复合是提高电池性能的重要技术思路。
通常,在电池应用中二氧化锰与碳基材料只是简单的机械混合。二氧化锰和碳基材料的接触面积小,相互作用力弱,影响电化学放电活性。近年来。有研究尝试通过在反应前驱体中加入碳基材料,通过原位反应制备二氧化锰/碳复合材料。如CN 103545122 A公开了一种超级电容器用二氧化锰/碳复合材料的制备方法,将炭材料加入到去离子水中,超声分散制备炭材料分散液;将二价锰盐和高锰酸钾加入到上述分散液中,搅拌使之充分溶解;将混合液转移到水热反应釜中,水热反应一段时间得到黑色沉淀,经洗涤、干燥即可得到二氧化锰/碳复合材料。
但是,二氧化锰化学合成的过程中一般采用较强的小分子氧化剂,在碳基材料表面进行原位反应的条件难以控制,一方面容易导致碳基材料被氧化剂切断,另一方面常常因碳基材料充分吸附反应物形成二氧化锰完全包裹碳基材料的结构,从而阻断了导电通路,造成电池活性降低。
发明内容
针对现有技术问题,本发明提供了一种新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料及其制备方法,减弱了氧化剂的氧化活性,提高了原位接枝的选择性。
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:一种新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料的制备方法,其特征在于,按照如下方法制备:将略过量的高锰酸钾加水溶解,加入硫酸锰混合均匀,继续在搅拌下反应形成吸附过量高价锰酸根离子的锰氧化物胶体,然后加入碳基材料并与胶体混合均匀,放入密闭反应釜中加热反应,得到具有原位接枝结构的氧化锰碳复合材料,所述高锰酸钾与硫酸锰的摩尔比为0.67-0.76。
反应方程式为:
3MnSO4+2KMnO4+2H2O=5MnO2+K2SO4+2H2SO4.
上述方案中:所述高锰酸钾与硫酸锰在0-40℃之间混合,并在该温度下进行反应形成吸附过量高价锰酸根离子的锰氧化物胶体。
上述方案中:所述高锰酸钾与硫酸锰反应的时间为10min-2h。
上述方案中:所述碳基材料为乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、活性炭、碳纤维、天然石墨、碳纳米球中的至少一种。
上述方案中:所述碳基材料的加入量为硫酸锰质量的0.1-0.5倍。
上述方案中:密闭反应釜中的反应温度为80℃-200℃,反应时间30min-24h。
上述方案中:反应完后,过滤,干燥得到产品。
所述的新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料的制备方法制备得到的新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料。
上述方案中:分支的直径为200nm-10um,二氧化锰纳米粒子的平均粒径为50-800nm。
有益效果:本发明具有高选择性、低能耗、产品导电性好等有益效果。其中,二氧化锰化学合成的过程中一般采用较强的小分子氧化剂,在碳基材料表面进行原位反应的条件难以控制。本发明通过先将过略微量的高锰酸钾和硫酸锰在较低温度下进行反应,制备了吸附微过量高价锰酸根离子的锰氧化物胶体,再让该锰氧化物胶体与碳基材料进行高温密闭条件下的强化反应以及结晶熟化等,从而减弱了氧化剂的氧化活性,提高了原位接枝的选择性。碳基材料是部分氧化,碳基材料构成的电荷通路得以保留。
附图说明
图1为氧化锰/碳复合材料的合成示意图。
图2为实施例1中氧化锰/碳复合材料的扫描电镜图。
图3为实施例7中氧化锰/碳复合材料的扫描电镜图
图4为实施例1和实施例7中氧化锰/碳复合材料组装的Zn-MnO2电池在不同电流密度下的放电比容量对比。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图,对本发明做进一步的描述。
实施例1
1)在30℃下,取0.22g高锰酸钾于烧杯中,加入100mL去离子水,搅拌均匀,使得高锰酸钾完全溶解;
2)往烧杯中加入0.31g硫酸锰,高锰酸钾与硫酸锰摩尔比0.678,继续搅拌60min。
3)加入0.062g乙炔黑,继续搅拌均匀后得到混合溶液.
4)将混合溶液转移至反应釜,设置反应温度120℃,反应12h后取出样品,进行抽滤、干燥即可得到产物。通过电镜扫描图可以看出,原位接枝结构是由二氧化锰纳米粒子接枝到碳基材料构成的骨架上所形成的,其中骨架具有分支结构,分支的直径为200nm-10um。二氧化锰纳米粒子的平均粒径为50-800nm。上述材料组装成氧化锰/碳复合材料组装的Zn-MnO2电池,在电流密度0.1A.g-1,放电比容量能达到257mAh g-1。
实施例2
1)在20℃下,取0.22g高锰酸钾于烧杯中,加入100mL去离子水,搅拌均匀,使得高锰酸钾完全溶解。
2)往烧杯中加入0.30g硫酸锰,高锰酸钾与硫酸锰摩尔比0.7,继续搅拌30min。
3)加入0.032g碳纳米管,继续搅拌均匀后得到混合溶液。
4)将混合溶液转移至密闭反应釜,设置反应温度80℃,反应6h后取出样品,进行抽滤、干燥即可得到产物。电镜扫描也具有实施例1相同的分支结构。上述材料组装成氧化锰/碳复合材料组装的Zn-MnO2电池,在电流密度0.1A.g-1,放电比容量能达到247mAh g-1。
实施例3
1)在40℃下,取0.22g高锰酸钾于烧杯中,加入100mL去离子水,搅拌均匀,使得高锰酸钾完全溶解。
2)往烧杯中加入0.30g硫酸锰,高锰酸钾与硫酸锰摩尔比0.7,继续搅拌10min。
3)加入0.09g活性炭,继续搅拌均匀后得到混合溶液;
4)将混合溶液转移至反应釜,设置反应温度100℃,反应24h后取出样品,进行抽滤、干燥即可得到产物。电镜扫描也具有实施例1相同的分支结构。上述材料组装成氧化锰/碳复合材料组装的Zn-MnO2电池,在电流密度0.1A.g-1,放电比容量能达到262mAh g-1。
实施例4
1)在25℃下,取0.22g高锰酸钾于烧杯中,加入100mL去离子水,搅拌均匀,使得高锰酸钾完全溶解;
2)往烧杯中加入0.29g硫酸锰,高锰酸钾与硫酸锰摩尔比0.73,继续搅拌2h。
3)加入0.145g碳纳米球,继续搅拌均匀后得到混合溶液。
4)将混合溶液转移至反应釜,设置反应温度150℃,反应24h后取出样品,进行抽滤、干燥即可得到产物。电镜扫描也具有实施例1相同的分支结构。上述材料组装成氧化锰/碳复合材料组装的Zn-MnO2电池,在电流密度0.1A.g-1,放电比容量能达到248mAh g-1。
实施例5
1)在0℃下,取0.22g高锰酸钾于烧杯中,加入100mL去离子水,搅拌均匀,使得高锰酸钾完全溶解.
2)往烧杯中加入0.29g硫酸锰,高锰酸钾与硫酸锰摩尔比0.73,继续搅拌2h。
3)加入0.058g石墨烯,继续搅拌均匀后得到混合溶液。
4)将混合溶液转移至反应釜,设置反应温度200℃,反应30min后取出样品,进行抽滤、干燥即可得到产物。电镜扫描也具有实施例1相同的分支结构。上述材料组装成氧化锰/碳复合材料组装的Zn-MnO2电池,在电流密度0.1A.g-1,放电比容量能达到253mAh g-1。
实施例6
1)在20℃下,取0.22g高锰酸钾于烧杯中,加入100mL去离子水,搅拌均匀,使得高锰酸钾完全溶解。
2)往烧杯中加入0.28g硫酸锰,高锰酸钾与硫酸锰摩尔比0.75,继续搅拌2h。
3)加入0.029g碳纤维,继续搅拌均匀后得到混合溶液。
4)将混合溶液转移至反应釜,设置反应温度200℃,反应30min后取出样品,进行抽滤、干燥即可得到产物。电镜扫描也具有实施例1相同的分支结构。上述材料组装成氧化锰/碳复合材料组装的Zn-MnO2电池,在电流密度0.1A.g-1,放电比容量能达到249mAh g-1。
实施例7
1)在30℃下,取0.22g高锰酸钾于烧杯中,加入100mL去离子水,搅拌均匀,使得高锰酸钾完全溶解。
2)往烧杯中加入0.269g硫酸锰,高锰酸钾与硫酸锰摩尔比0.78,继续搅拌60min。看一下高锰酸钾过量后会带来什么效果。
3)加入0.062g乙炔黑,继续搅拌均匀后得到混合溶液。
4)将混合溶液转移至反应釜,设置反应温度120℃,反应12h后取出样品,进行抽滤、干燥即可得到产物。电镜扫描不具有实施例1相同的分支结构。上述材料组装成氧化锰/碳复合材料组装的Zn-MnO2电池,在电流密度0.1A.g-1,放电比容量只有192mAh g-1。
实施例8
1)在30℃下,取0.22g高锰酸钾于烧杯中,加入100mL去离子水,搅拌均匀,使得高锰酸钾完全溶解。
2)往烧杯中加入0.318g硫酸锰,高锰酸钾与硫酸锰的摩尔比0.66,继续搅拌2h。
3)加入0.062g乙炔黑,继续搅拌均匀后得到混合溶液。
4)将混合溶液转移至反应釜,设置反应温度120℃,反应12h后取出样品,进行抽滤、干燥即可得到产物。电镜扫描不具有实施例1相同的分支结构。上述材料组装成氧化锰/碳复合材料组装的Zn-MnO2电池,在电流密度0.1A.g-1,放电比容量只有201mAh g-1。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料的制备方法,其特征在于,按照如下方法制备:将略过量的高锰酸钾加水溶解,加入硫酸锰混合均匀,继续在搅拌下反应形成吸附过量高价锰酸根离子的锰氧化物胶体,然后加入碳基材料并与胶体混合均匀,放入密闭反应釜中加热反应,得到具有原位接枝结构的氧化锰碳复合材料,所述高锰酸钾与硫酸锰的摩尔比为0.67-0.76。
2.根据权利要求1所述新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料的制备方法,其特征在于:所述高锰酸钾与硫酸锰在0-40℃之间混合,并在该温度下进行反应形成吸附过量高价锰酸根离子的锰氧化物胶体。
3.根据权利要求1或2所述新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料的制备方法,其特征在于:所述高锰酸钾与硫酸锰反应的时间为10min-2h。
4.根据权利要求3所述新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料的制备方法,其特征在于:所述碳基材料为乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、活性炭、碳纤维、天然石墨、碳纳米球中的至少一种。
5.根据权利要求4所述新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料的制备方法,其特征在于:所述碳基材料的加入量为硫酸锰质量的0.1-0.5倍。
6.根据权利要求5所述新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料的制备方法,其特征在于:密闭反应釜中的反应温度为80℃-200℃,反应时间30min-24h。
7.根据权利要求6所述新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料的制备方法,其特征在于:反应完后,过滤,干燥得到产品。
8.一种权利要求1-7任一项所述的新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料的制备方法制备得到的新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料。
9.根据权利要求8所述新型具有分支结构的氧化锰碳复合材料,其特征在于:分支的直径为200nm-10um,二氧化锰纳米粒子的平均粒径为50-800nm。
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