[发明专利]一种二氧化钌基复合纳米材料及其制备方法

说明书

一种二氧化钌基复合纳米材料及其制备方法。所述制备方法具体包括：将碳基体分散于水中，然后加入钌源和氧化性金属源，调节溶液pH值，搅拌吸附后，油浴反应，然后离心，洗涤，惰性气氛中煅烧即得所述复合纳米材料。该方法操作工艺简单、产率高、成本低、无污染，制得的二氧化钌/金属纳米颗粒/碳复合纳米材料活性成分尺寸细小，比表面积大，分散均一。本发明二氧化钌为水合二氧化钌，是一种良好的可逆充放电活性物质，金纳米颗粒易于吸附质子和传递电子，改善了二氧化钌/金属纳米颗粒/碳复合材料的电化学性能，用本发明制备的二氧化钌/金属纳米颗粒/碳复合材料作为超级电容器电极材料，有着优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于电化学及无机材料领域，特别涉及一种超级电容器用二氧化钌/金属纳米颗粒/碳复合电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器(又称电化学电容器)因具有高功率密度、高能量密度和长循环寿命的特点而受到广泛关注，超级电容器主要依靠高比表面积材料表面或体相发生的快速可逆的法拉第反应或准法拉第反应进行储能。目前主要研究电极材料有介孔碳材料、水合金属氧化物和导电聚合物以及它们的复合物，碳材料基于碳电极/电解液界面上电荷分离所产生的双电层电容来储能，而RuO₂等氧化物依赖氧化物表面或体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容。该类电容的产生由于伴随这电荷传递过程的发生而不同于双电层电容，被称为法拉第准电容。在相同的比表面积条件下，后者的比电容是前者的10～100倍。

但碳材料的瞬时大电流放电功率性能好于后者。RuO₂的电化学性能主要受其结构、形貌和制备方法的影响，增大氧化钌材料的比表面积同时改善RuO₂颗粒与基体材料间的接触是进一步提高氧化钌材料大倍率性能的重要途径。因而开发出一种大比表面积、结构和化学特性复合高性能电容器需求的电极材料是一项重要的技术。

目前为增大氧化物的电极比表面积同时降低材料的成本通常采用方案是将纳米氧化物颗粒与大比表面积的碳材料复合。如CN 103680995A公开了一种用于超级电容器的介孔碳/RuO₂电极材料的制备方法。该方法通过溶胶凝胶法将RuO₂掺杂到有序介孔碳中，可获得RuO₂含量在3～95％的复合材料。但溶胶凝胶法制备的材料在进一步的热处理过程中易于发生晶化，而导致材料体相传导质子的能力降低，影响内部氧化还原吸附反应，降低材料的电化学性能。同时，RuO₂纳米颗粒与碳基体材料间存在大的电子转移电阻，这也是制约该材料倍率性能的另一重要因素。

CN 103474252A公开了一种二氧化钌/石墨烯复合材料的制备方法。该方法直接以石墨为原料，一步法水热合成了二氧化钌/石墨烯复合材料。该方法涉及一种强氧化剂过氧化苯甲酰的使用，该试剂极不稳定，易燃易爆，且该方法对生产设备要求较高，较难实现工业化生产。该方法制备的材料容量性能也一般，二氧化钌的比容量仅有185F/g，远远低于其理论比容量(780F/g)。

美国专利US 20110091723公开了一种在基体上制备二氧化钌涂层的方法，该方法直接将基体浸没在非极性的四氧化钌溶液中，然后加热，四氧化钌分解在基体上直接形成二氧化钌层。该方法获得的材料为单晶或者多晶膜材料，具有极佳的导电性，但是由于材料内部缺陷较少，影响了质子在材料内部的传递，从而降低了材料体相发生电化学吸附的可能性。同时该方法所涉及原料RuO₄属于易燃易爆品，易挥发，不宜存储，导致生产操作的危险和困难。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种简单的原位氧化还原的方法制备二氧化钌/金属纳米颗粒/碳复合纳米材料。本发明的方法具有工艺设备简单，产率高，成本低，无污染，易实现工业化规模生产等特点，具有很大的实际应用前景。并且本发明制备的材料由于其良好的电子电导性和质子转移能力，而表现出优异的大电流放电性能和容量性能。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：