【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高分子纳米复合材料领域，特别是涉及一种基于二氧化锰纳米片阵列锚定生物质碳气凝胶及其制备方法与应用。
技术介绍
1、在快速发展的储能
，锌离子电池以其环境友好、成本效益和适合的能量密度而闻名，在可再生能源领域尤其具有优势，已成为一种具备发展前景的解决方案。选择合适的电极材料是制备一款高性能锌离子电池的关键；这其中，二氧化锰以其理想的电化学容量和低毒性，在复合材料中的应用受到了广泛的关注。
2、在各种多晶态中，α-mno2因其大的隧道尺寸(约)而引人注目实质性的隧道结构有助于提高电荷的储存和释放效率，确保在充放电过程中更有效的嵌入和脱嵌。同时，二氧化锰的微观结构也显著影响了复合材料的反应机理和电化学性能。首先，mno2的微观结构，包括其晶体结构和孔隙率，直接影响了电子和电荷的传导途径。更大的比表面积和均匀分布的孔隙提供了丰富的反应位点和更短的离子传输途径，从而提高了电池的充放电效率和电化学反应速率。其次，微观结构的变化显著影响了活性物质的利用率，促进了更深的放电过程和更高的能量密度。然而，与二氧化锰复合材料缓慢的扩散速率阻碍了它的动力学性能，从而限制了它们在下一代电子器件中的进一步应用。
3、有关储能体系的研究表明，α-mno2的结构在循环过程中会发生转变，这一变化引发了显著的体积变化，成为循环稳定性不佳的关键原因。为了应对这一挑战，已提出多种修改原始α-mno2的策略，包括缺陷工程、预插入外部物质以及与导电剂的复合。尽管这些方法在一定程度上改善了电池性能，但依然受到材料可扩展性的限制，尤
4、因此，有必要对现有的二氧化锰复合材料进行改进，通过改变复合材料的微观形貌，使储能设备的循环寿命等性能提高进一步，从而提升其在储能领域的应用价值。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，提供一种基于二氧化锰纳米片阵列锚定生物质碳气凝胶及其制备方法与应用。本专利技术制得的碳气凝胶的多孔结构为活性材料mno2提供了大量的沉积位点。均匀的沉积层能够提高活性材料的利用率和电池的整体能量密度，提高电化学效率。本专利技术所设计的复合材料的3d网络结构有助于减轻充放电周期中遇到的体积膨胀问题，从而提高其结构稳定性并延长循环寿命。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
3、本专利技术技术方案之一：提供一种基于二氧化锰纳米片阵列锚定生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
4、将纳米纤维素、碳纳米管和氧化石墨烯混合，得到纳米纤维素/碳纳米管/氧化石墨烯悬浮液，冷冻，干燥，得到气凝胶；
5、对所述气凝胶进行碳化处理，得到碳气凝胶；
6、将所述碳气凝胶、硫酸和高锰酸钾在溶液中混合，反应，得到所述复合材料。
7、优选地，所述纳米纤维素、碳纳米管和氧化石墨烯的质量比为4:2:3。
8、优选地，所述冷冻为以6～16℃/min的降温速度降至-80～-160℃；所述干燥的温度为-50～-80℃，气压为0.2mbar，时间为72h。
9、优选地，所述碳化处理的气氛为保护气氛，温度为800℃，时间为2h。
10、优选地，所述高锰酸钾、碳气凝胶和硫酸的质量体积比为30mg:1g:50μl，所述高锰酸钾在溶液中的浓度为3g/l。
11、优选地，所述反应的温度为80℃，时间为1h。
12、通过本专利技术所限定的反应条件，可以将二氧化锰很好的附着在碳气凝胶上。
13、本专利技术技术方案之二：提供一种根据上述制备方法得到的基于二氧化锰纳米片阵列锚定生物质碳气凝胶复合材料。
14、本专利技术技术方案之三：提供一种上述基于二氧化锰纳米片阵列锚定生物质碳气凝胶复合材料在制备锌离子电池正极材料中的应用。
15、本专利技术的有益技术效果如下：
16、在本专利技术所设计的气凝胶制备方案中，纳米纤维素在该组合物中形成了基本的支撑结构，氧化石墨烯和碳纳米管的整合大大提高了其导电性和机械强度。所制得的气凝胶的独特结构为最终产物提供了稳定性和多孔性，这对于有效的缩短电子和离子传输路径至关重要。碳气凝胶的多孔结构为活性材料mno2提供了大量的沉积位点，是mno2均匀分布的关键。均匀的沉积层能够提高活性材料的利用率和电池的整体能量密度，提高电化学效率。本专利技术的碳气凝胶的自支撑特性不仅为储能设备提供了坚实的物理基础，还为优化电池性能创造了有利条件。
17、本专利技术所设计的复合材料的3d网络结构有助于减轻充放电周期中遇到的循环稳定性的问题。复合材料的优异导电性确保了电池在重载下仍能保持较高的电化学性能，提升了其在大功率应用领域的应用前景。
18、由本专利技术制备方法制得的碳气凝胶和二氧化锰复合材料，有效地规避了传统二氧化锰复合材料电化学反应速率较低的问题。在这种结构中，高度互联的蜂窝框架不仅承受了变形压力，而且为电解质快速获取和电荷快速转移提供了短而有效的途径。此外，原位生长的mno2纳米片能够避免mno2颗粒的聚集，从而显著提高活性材料的可及性，保证了mno2优异的倍率性能。
19、将此复合材料用作锌离子正极后，能够在0.5ag-1时提供470mah g-1的可逆比容量，在5.0ag-1时提供170mah g-1的高倍率容量，且循环3000次后依然还保持着85.6％的比容量，循环稳定性优异。该复合材料不仅具有优异的多晶性，而且具有良好的长期循环稳定性。
20、本专利技术的复合材料不仅具有超轻的特性，还能显著延长储能设备的寿命，在能源存储与转换领域有明显性能优势，能够为高能量密度的电池和超级电容器领域的研究提供理论基础，推动电动汽车和可再生能源的发展。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于二氧化锰纳米片阵列锚定生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维素、碳纳米管和氧化石墨烯的质量比为4:2:3。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷冻为以6～16℃/min的降温速度降至-80～-160℃；所述干燥的温度为-50～-80℃，气压为0.2mbar，时间为72h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化处理的气氛为保护气氛，温度为800℃，时间为2h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高锰酸钾、碳气凝胶和硫酸的质量体积比为30mg:1g:50μL，所述高锰酸钾在溶液中的浓度为3g/L。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为80℃，时间为1h。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述制备方法得到的基于二氧化锰纳米片阵列锚定生物质碳气凝胶复合材料。
8.一种权利要求7所述的基于二氧化锰纳米片阵列锚定生物质碳气凝胶复合材料在制备锌
...【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化锰纳米片阵列锚定生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维素、碳纳米管和氧化石墨烯的质量比为4:2:3。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷冻为以6～16℃/min的降温速度降至-80～-160℃；所述干燥的温度为-50～-80℃，气压为0.2mbar，时间为72h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化处理的气氛为保护气氛，温度为800℃...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐婷，刘慰，赵庆爽，司传领，张萌，王娅萱，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：
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