[发明专利]一种V2O5-有序介孔碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与纳米技术领域，具体涉及一种通过超声辅助液相法合成的V₂O₅- 有序介孔碳复合材料的新方法。

背景技术

超级电容器是介于普通电容器和二次电池之间的新型储能器件，兼备普通电容器功率 密度高和二次电池能量密度高的优点，是近年来国内外关注的新型绿色能源。通常，电化 学电容器按储能机理可分为两种：一种是基于电极/电解液界面电荷分离所产生的双电层电 容，另外一种是利用电极的表面及体相中发生的快速可逆的氧化还原反应形成法拉第赝电 容。

目前，双电层电容器用活性炭材料，通常需要采用活化工程来增加它的比表面积，而 且此类碳材料的比表面积实际利用率仅为10％左右；另外，它具有较高的电阻，限制了双 电层电容器的应用。金属氧化物，如RuO_x、IrO_x、TaO_x等具有赝电容的性能，虽然具有比 电容大、能量密度高和能快速充放电的特点，但是金属氧化物的比表面积较小，性能不稳 定，而且其高价格限制了它们的商业化。因此，需要将双电层电容器和赝电容器组合，以 期实现材料成本和性能之间的合理平衡。

钒是典型的多价金属元素之一，可形成多种氧化物，如VO₂、V₂O₅、V₆O₁₃等。早在 1976年，人们就对V₂O₅作为锂离子电池正极材料进行了研究，但将其用作超级电容器电 极材料的研究是近年来才受到重视的。Jiang等通过化学气相注入法将RuO₂·xH₂O与介孔 碳复合，其比电容比单一多孔碳材料有显著提高(J.Power Sources 2003，123，79)。但是 传统的浸渍法容易出现金属氧化物颗粒聚集的问题。此外，V₂O₅的熔点较低且活性较高， 化学气相注入等高温处理很容易造成结构坍塌及物相转变。因而选择介孔碳材料作为载体， 研究一种可控性好、低成本、且氧化物可均匀分布在载体中的制备方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种V₂O₅-有序介孔碳复合材料，以及提供一种实施有效、可 行的，介观结构保持完好的钒氧化物-有序介孔碳复合材料的制备方法。

实现本发明目的的一种V₂O₅-有序介孔碳复合材料，其特征是具有介观结构，V₂O₅纳 米颗粒尺寸均一，且均匀地分散在有序介孔碳载体中，V₂O₅颗粒的尺寸为4nm或更小的 纳米颗粒，有序介孔碳载体与V₂O₅纳米颗粒的质量分数比为1∶0.08-0.25。

本发明的一种V₂O₅-有序介孔碳复合材料的制备方法，其特点是利用超声辅助液相合 成法，其步骤为：在室温下，将有序介孔碳载体材料和钒氧化物前驱物混合搅拌，然后在 超声条件下处理1-3h，过滤，用去离子水洗涤至滤液无色，得到黑褐色产物；将得到的黑 褐色产物在120℃真空干燥24h，即得到V₂O₅-有序介孔碳复合材料，V₂O₅纳米颗粒均匀 地分散在有序介孔碳载体中，其中，所述的钒氧化物前驱物为V₂O₅溶胶，浓度为0.01-0.08 mol/L；有序介孔碳载体和V₂O₅溶胶按质量比例1∶50-150混合。

本发明的方法中，所述的有序介孔碳载体材料为亲水处理的自制有序介孔碳材料 CMK-3(其制备见实施例5、6)；所述的超声的功率为100kHz。