本發明專利技術公開一種CMS/MnO2/PPY復合電極材料及其制備方法與應用。該方法操作簡便、條件溫和、成本低廉且對環境友好，易于商業化和規模化生產。本發明專利技術制備的碳微球表面有大量的活性基團，能與高錳酸鉀原位反應，生成附著于碳微球表面的納米級二氧化錳，這種碳微球/二氧化錳材料本身具有較寬的電位窗口。而且，本發明專利技術通過化學氧化法使聚吡咯均勻包覆在二氧化錳的表面，制備的CMS/MnO2/PPY復合電極材料PPY分散的更均勻，導電粒子需穿過的路徑更短，能顯著提高CMS/MnO2材料的導電性和比容量。將其用作超級電容器的電極材料不僅具有很高的比電容，且功率密度高，循環穩定性好，該電極材料將具有廣闊的工業應用前景。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于復合材料領域，具體涉及一種CMS/MnO2/PPY復合電極材料及其制備方法與應用。
技術介紹
作為一種新型儲能器件，超級電容器能提供比靜電電容器更高的能量密度，比電池更高的功率密度，并且它有更長的循環壽命(Z.Gao,etal.ChemistryofMaterials,2011,23(15):3509-3516.)。根據儲能機理的不同，超級電容可分為雙電層電容器和氧化還原電容。前者其電容的產生主要基于電極、電解液上電荷分離所產生的雙電層電容，后者是在電極的表面或體相中的二維或準二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附或氧化還原反應，產生和電極充電電位有關的電容。在相同電極面積的情況下，它的容量是雙電層電容的幾十倍(B.E.Conway,ElectrochhemicalSupercapacitors:ScientificFundamentalsandTechnologicalApplications,KluwerAcademic/PlenumPublishers,NewYork,1999.)。影響超級電容器電化學性能的因素有很多，例如，電極材料、電解液、使用的隔膜及封裝材料等，但電極材料是決定超級電容器性能的關鍵因素。目前，超級電容器的研究熱點主要是開發各種具有高比能量、高比功率的電極材料。二氧化錳成本低廉、資源豐富、環保無污染、理論比電容高，作為超級電容器電極材料近年來一直是人們研究的熱點。相對于其他碳源，CMS(碳微球)表面有大量的活性基團，能夠與高錳酸鉀原位反應，生成附著于碳微球表面的納米級二氧化錳，因此受到眾多科研人員的青睞。但是由于CMS/MnO2復合電極材料導電性差，在實際應用中其容量只有理論值的1/5或1/6。因此，需要通過添加導電碳材料或者導電聚合物的方式提高CMS/MnO2材料的導電性。例如，中國專利CN104409225A中在CMS/MnO2中加入乙炔黑提高CMS/MnO2的導電性。目前，還沒有文獻或專利報道有關制備CMS/MnO2/PPY復合電極材料的方法。
技術實現思路
為了克服現有技術的缺點與不足，本專利技術的首要目的在于提供一種CMS/MnO2/PPY復合電極材料的制備方法。該方法成本低廉且對環境友好。與其他碳源相比，本專利技術制備的碳微球表面有大量的活性基團，能夠與高錳酸鉀原位反應，生成附著于碳微球表面的納米級二氧化錳，接著在納米級二氧化錳表面通過化學方法接上聚吡咯，以提高CMS/MnO2/PPY復合電極材料的導電性和比容量。本專利技術的另一目的在于提供上述制備方法制備得到的CMS/MnO2/PPY復合電極材料。該CMS/MnO2/PPY復合電極材料不僅顯著提高了電極材料的導電性，還使二氧化錳以很小的粒子均勻的分散在碳微球表面，提高了二氧化錳的電化學使用率，進而極大地提升電極材料的比容量和循環性能。本專利技術的再一目的在于提供上述CMS/MnO2/PPY復合電極材料的應用。將其用作超級電容器的電極材料不僅具有很高的比電容，而且循環穩定性好，因此該電極材料將具有廣闊的工業應用前景。本專利技術的目的通過下述技術方案實現：一種CMS/MnO2/PPY復合電極材料的制備方法，包括如下步驟：(Ⅰ)將對甲基苯磺酸溶解在無水乙醇中，接著加入吡咯，攪拌均勻；(Ⅱ)配制過硫酸鹽溶液；(Ⅲ)將步驟(Ⅰ)和步驟(Ⅱ)中得到的溶液分別加入CMS/MnO2材料，接著在黑暗中靜置，離心、洗滌、干燥即得到CMS/MnO2/PPY復合電極材料。步驟(Ⅰ)中所述的對甲基苯磺酸無水乙醇溶液的濃度為0.01～0.03g/mL；步驟(Ⅰ)中所述的吡咯無水乙醇溶液的濃度為0.001～0.01g/mL；步驟(Ⅱ)中所述的過硫酸鹽為過硫酸銨、過硫酸納或過硫酸鉀；優選為過硫酸銨。步驟(Ⅱ)中所述的過硫酸鹽溶液的濃度為0.002～0.02g/mL；步驟(Ⅲ)中所述的CMS/MnO2材料與對甲基苯磺酸的質量比為1：(1.5～4.5)；步驟(Ⅲ)中所述的CMS/MnO2材料與吡咯的質量比為1：(0.15～1.5)；步驟(Ⅲ)中所述的CMS/MnO2材料與過硫酸鹽的質量比為1：(0.2～2)；步驟(Ⅲ)中所述的黑暗中靜置的時間為12～48h；步驟(Ⅲ)中所述的干燥的條件為60～120℃干燥2～48h；優選為80℃干燥6h。步驟(Ⅲ)中所述的CMS/MnO2材料的制備方法，包括如下步驟：(1)將葡萄糖與蒸餾水置于反應釜中，控溫反應后冷卻、離心，洗滌，干燥后即得到CMS(碳微球)；(2)將步驟(1)中的CMS超聲分散，得到CMS分散液，接著加入高錳酸鉀(KMnO4)，攪拌均勻，得到混合液；(3)將步驟(2)中的混合液超聲，即得到紅棕色樣品；(4)將步驟(3)中得到紅棕色樣品離心、洗滌、干燥即得到CMS/MnO2材料。步驟(1)中所述的葡萄糖與蒸餾水的質量比為1:(5～20)；優選為1：(10～15)；步驟(1)中所述的控溫反應的條件為150～250℃反應3～18h；優選為150～180℃反應12～15h；步驟(1)中所述的干燥的條件為60～100℃干燥2～24h；優選為60℃干燥6h；步驟(2)中所述的CMS分散液的濃度為0.001～0.01g/mL；步驟(2)中所述的超聲的時間為2～180min；優選為10min；步驟(2)中所述的CMS與高錳酸鉀的質量比為1:(1～10)；步驟(3)中所述的超聲的條件為功率是40～400W，時間是10～240min，溫度是10～35℃；優選為功率是400W，時間是30～60min，溫度是10～35℃；步驟(4)中所述的干燥的條件為60～120℃干燥2～48h；優選為80℃干燥6h。一種CMS/MnO2/PPY復合電極材料，通過上述制備方法制備得到。所述的CMS/MnO2/PPY復合電極材料在超級電容器中的應用。本專利技術的機理是：本專利技術通過化學氧化法使PPY(聚吡咯)均勻包覆在二氧化錳的表面，相比于直接在CMS/MnO2復合電極材料中添加導電碳材料，本方法制備的CMS/MnO2/PPY復合電極材料中PPY分散的更均勻，導電粒子需要通過的路徑更短，不僅能顯著提高CMS/MnO2復合電極材料的導電性和比容量，而且電極材料中活性組分與PPY分散更均勻，循環穩定性能更優異。相比導電碳材料，聚吡咯的不僅電導率更大，導電性能更優越，而且聚吡咯能夠直接提供一定的比電容，進而提高電極材料的能量密度。本專利技術相對于現有技術，具有如下的優點及效果：本專利技術提出的CMS/MnO2/PPY復合電極材料的制備方法操作簡便、條件溫和、成本低廉且對環境友好，易于商業化和規模化生產。與其他碳源相比，本專利技術制備的碳微球表面有大量的活性基團，能夠與高錳酸鉀原位反應，生成附著于碳微球表面的納米級二氧化錳，這種碳微球/二氧化錳復合電極材料本身具有較寬的電位窗口。而且，本專利技術通過化學氧化法使聚吡咯均勻包覆在二氧化錳的表面，相比于直接在CMS/MnO2復合電極材料中添加導電碳材料，本方法制備的CMS/MnO2/PPY復合電極材料PPY分散的更均勻，導電粒子需要穿過的路徑更短，能夠顯著提高CMS/MnO2復合電極材料的導電性和比本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種CMS/MnO2/PPY復合電極材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟：(Ⅰ)將對甲基苯磺酸溶解在無水乙醇中，接著加入吡咯，攪拌均勻；(Ⅱ)配制過硫酸鹽溶液；(Ⅲ)將步驟(Ⅰ)和步驟(Ⅱ)中得到的溶液分別加入CMS/MnO2材料，接著在黑暗中靜置，離心、洗滌、干燥即得到CMS/MnO2/PPY復合電極材料。
【技術特征摘要】
1.一種CMS/MnO2/PPY復合電極材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟：(Ⅰ)將對甲基苯磺酸溶解在無水乙醇中，接著加入吡咯，攪拌均勻；(Ⅱ)配制過硫酸鹽溶液；(Ⅲ)將步驟(Ⅰ)和步驟(Ⅱ)中得到的溶液分別加入CMS/MnO2材料，接著在黑暗中靜置，離心、洗滌、干燥即得到CMS/MnO2/PPY復合電極材料。2.根據權利要求1所述的CMS/MnO2/PPY復合電極材料的制備方法，其特征在于：步驟(Ⅰ)中所述的對甲基苯磺酸無水乙醇溶液的濃度為0.01～0.03g/mL；步驟(Ⅰ)中所述的吡咯無水乙醇溶液的濃度為0.001～0.01g/mL。3.根據權利要求1所述的CMS/MnO2/PPY復合電極材料的制備方法，其特征在于：步驟(Ⅱ)中所述的過硫酸鹽溶液的濃度為0.002～0.02g/mL。4.根據權利要求1所述的CMS/MnO2/PPY復合電極材料的制備方法，其特征在于：步驟(Ⅲ)中所述的CMS/MnO2材料與對甲基苯磺酸的質量比為1：(1.5～4.5)；步驟(Ⅲ)中所述的CMS/MnO2材料與吡咯的質量比為1：(0.15～1.5)；步驟(Ⅲ)中所述的CMS/MnO2材料與過硫酸鹽的質量比為1：(0.2～2)。5.根據權利要求1所述的CMS/MnO2/PPY復合電極材料的制備方法，其特征在于：步驟(Ⅲ)中所述的黑暗中靜置的時間為12～48h；步驟(Ⅲ)中所述的干燥的條件為60～120℃干燥2～48h。6.根據權利要求1或4...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳勝洲，李寧，鄒漢波，吳宗鍵，鄭偉樂，
申請(專利權)人：廣州大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44
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