[发明专利]蠕虫状介孔炭/Bi2O3复合电极材料及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器用电极材料，特别涉及一种蠕虫状介孔炭/Bi₂O₃复合电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器(supercapacitor)，又称为电化学电容器(electrochemicalcapacitor)，是20世纪七八十年代开始发展的，介于传统电容器和电池之间的新型储能器件。超级电容器兼有电池高比能量和传统电容器高比功率，可快速充放电，使用寿命长，维护简单，环境友好等特点，是一种新型、高效、实用的能量存储装置，可用于存储设备备用电源、激光武器、导弹制导系统电源以及配合蓄电池应用于各种内燃发动机的电启动系统等，在国民经济的各领域有着广泛的应用前景。

电极材料是超级电容器性能的决定因素。目前，介孔炭/金属氧化物复合电极材料，如介孔炭/RuO₂、介孔炭/MnO₂等可同时兼顾炭材料的双电层电容和金属氧化物的赝电容而备受关注。与单纯炭材料相比，炭材料/金属氧化物复合电极材料可提供更高的比电容，价格亦比单纯金属氧化物便宜很多。

通常制备介孔炭/金属氧化物复合电极材料主要包括介孔炭的制备和介孔炭/金属氧化物的复合。介孔炭的制备主要采用无机模板法，通过将热固性酚醛树脂、蔗糖和糠醇等炭前驱体引入到各种沸石、介孔SiO₂、介孔Al₂O₃等模板中，经过炭化、去除模板而得到结构高度有序的介孔炭材料；但制备过程复杂，耗时长，耗费高，同时会使用一些有毒试剂，所合成出的介孔炭比表面积相对较低，比电容也较小。介孔炭/金属氧化物的复合过程通常是将介孔炭浸渍在氧化物相应盐溶液中，采用化学共沉淀法得到介孔炭/金属氧化物复合材料；或者是介孔炭材料直接对金属氧化物的相应盐溶液浸渍吸附后高温煅烧而制得，其过程较复杂，耗时较长，能耗较高。

蠕虫介孔炭材料具有规则排列的孔道结构、高的比表面积、较大的孔容、较好的化学稳定性以及高度发达的内表面和孔隙率，所以被广泛应用于催化剂载体，储氢，分离与提纯，气体的吸附、分离与净化，电极材料和双电层电容器等领域。这些优点将极大地提高相关材料的性能，有望为介孔材料开辟新的应用领域。目前蠕虫介孔炭材料的合成工艺比较烦锁，而且对条件的要求也比较苛刻，因此通过简单的工艺开发高比表、高孔容、孔径分布狭窄的蠕虫介孔炭材料以满足近年来工业技术发展的需求已成为国内外一项新的研究热点。设想在蠕虫介孔炭材料表面上沉积金属氧化物，展开探索蠕虫介孔炭/金属氧化物的电化学性能的研究。制造电化学转化和储能装置。开发新型炭复合材料具有可逆性好、容量大的超级电容器，具有明确的产业化前景和巨大经济社会效益。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种蠕虫状介孔炭/Bi₂O₃复合电极材料的制备方法，该方法制备工艺简单。

本发明的另一目的在于提供一种上述方法制备的蠕虫状介孔炭/Bi₂O₃复合电极材料；该材料比电容高、循环稳定性好。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种蠕虫状介孔炭/Bi₂O₃复合电极材料的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)采用高温煅烧法制备蠕虫状介孔炭材料：

(a)将1～3g Zn(NO₃)₂·6H₂O和0.5～2.5g对苯二酸加入到15～40mLN，N-二甲基甲酰胺中，搅拌，得到澄清溶液；

(b)将澄清溶液转入低温反应釜中，进行恒温反应，冷却至室温，离心分离，真空干燥，得到白色金属有机配位聚合物；

(c)以白色金属有机配位聚合物为前躯体，加入1～5mL丙三醇做炭源，在管式炉中N₂保护下升温至850～1000℃，恒温煅烧4～10h，冷却至室温，得到蠕虫状介孔炭材料；

(2)以蠕虫状介孔炭材料为体材料，将体材料浸渍在0.1～1mol·L^-1硝酸铋溶液中，搅拌、抽滤并干燥后得到黑色粉末；

(3)将黑色粉末置于微波炉中进行微波短时高能辐射即得到蠕虫状介孔炭/Bi₂O₃复合材料。

步骤(b)所述恒温反应的温度为80～120℃，反应时间为12～24h；所述真空干燥的温度为80～100℃。