一种可拉伸硼氮掺杂二氧化锰纳米纤维膜及其制备方法和应用
本发明涉及电化学材料技术领域,具体公开一种可拉伸硼氮掺杂二氧化锰纳米纤维膜及其制备方法和应用。所述可拉伸硼氮掺杂二氧化锰纳米纤维膜具有芯壳结构,壳层包括纳米花状硼氮掺杂二氧化锰,芯层包括聚己内酯。硼氮共掺杂MnO2,提高了MnO2材料的导电率和结构稳定性,芯层聚己内酯能提高MnO2材料的循环稳定性,并赋予了复合材料优异的拉伸性能,在较高的形变下依然可以保持良好的电化学性能。本发明通过同轴静电纺丝一步法制备得到核壳结构的硼氮掺杂纳米花状二氧化锰/碳纳米管纤维电极,其显示出良好的延伸性和宽工作电压窗口,适合于在穿戴式医疗监控、通讯设备或其他小型电子产品中应用,应用潜力巨大。
二氧化锰具有资源丰富、价格低、环境友好等优点,作为电极材料受到了广泛关注,但是,由于二氧化锰导电性较差,极大地制约了其广泛应用。元素掺杂可以改变材料的物理化学性质,在材料中引入电离能较低的掺杂原子可以有效提升材料中的自由离子浓度与体系的导电率。目前,非金属掺杂强化二氧化锰材料电化学性能的研究主要以C、N元素掺杂为主,这些元素掺杂虽然在一定程度上可以改善二氧化锰的导电性,但是元素的掺杂量和掺杂效能通常非常有限,且掺杂元素容易在颗粒表面聚集,易吸附在表面或者自成核,从而限制了电化学性能的进一步提高。再者,对于储能器件而言,需要在高能量密度的前提下保证安全性,因此,通常利用水系电解液代替有毒的有机电极液。对于水基超级电容器,由于水的电化学稳定性,工作电压通常被限制在1.1V以下,限制了能量密度的提高,从而严重阻碍了其实际应用。因此,开发一种新型二氧化锰基材料以提高超级电容器的能量密度、扩大电压窗口范围,并使其能够很好地适用于可穿戴系统和智能纺织品,对于扩大二氧化锰在电化学领域的范围具有十分重要的意义。
本发明通过水热法先制备得到硼氮掺杂纳米花状MnO2,然后将其与特定的分散剂共同分散于适当的溶剂(聚乙烯醇水溶液)中作为壳层纺丝液,与聚己内酯芯层纺丝液通过同轴静电纺丝制备芯壳结构的纳米纤维膜,有效提高了MnO2中B、N元素的掺杂量,且保证了纺丝液中电活性物质硼氮掺杂二氧化锰的添加量,提高了其在整体纤维内部的分散均匀性,同时还保证了可拉伸性能,制备得到的硼氮掺杂二氧化锰纳米纤维膜适用于穿戴式医疗监控、通讯设备或其他小型电子产品中,应用前景广阔。
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李晓燕
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