[发明专利]碳包覆钛基纳米阵列材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料制备领域，尤其涉及一种用于超级电容器的碳包覆钛基纳米阵列材料的制备方法。

背景技术

当前，加快发展高效、稳定和环境友好的储能器件对于合理有效的利用能源来说是十分必要的。人们希望出现新型的储能器件，兼具高能量密度和高功率密度的特性，可以满足未来的电子设备、车辆和工业设备对混合动力输出的要求。超级电容器以其快速充放电速率、高功率密度和长使用寿命等优势，极大的吸引研究者的兴趣，并有望在不久的将来实现工业化生产，为人类丰富多彩的生活提供能源支持。然而，目前超级电容器面临的一个巨大挑战是，如何在保证电极材料功率密度的同时，增加其能量密度和稳定性。

钛基材料包括氮化钛、氧化钛和氮掺杂氧化钛，其中，氧化钛和氮掺杂氧化钛具有很好的光电化学活性，广泛应用于光敏太阳能电池。氮化钛具有良好的导电性和机械稳定性，是一种新型的很有前景的电极材料，氮化钛已经被广泛的应用于光敏太阳能电池，燃料电池和超级电容器之中。而有序多孔结构的氮化钛具有高的比表面积和适宜离子扩散的通道，高电导性氮化钛通常被用作电极基底材料，然而，氮化钛在水相电解液中会因为不可逆的电化学氧化反应导致不稳定，因此，提高氮化钛材料的能量密度和循环稳定性对真正实现其在储能领域的应用也有重要意义。

碳包覆被认为是增强电极材料电导性和稳定性的一种简单而有效的方法。大量的碳包覆材料，比如LiFePO₄/C,NiO/C和TiO₂/C等，均被开发研究并用于电化学储能领域。因此，合理利用碳层包覆的手段来设计制备纳米阵列材料，可以解决氮化钛材料的稳定性问题，同时实现电极材料高的功率密度和能量密度。

发明内容

发明目的：本发明提供一种碳包覆钛基纳米阵列材料及其制备方法，所述的纳米阵列材料应用于超级电容器电极的电化学储能。

技术方案：本发明提供的一种碳包覆钛基纳米阵列材料，包括导电基底(1)、钛基纳米阵列(2)和无定形碳层(3)；所述钛基纳米阵列(2)垂直排列在导电基底(1)表面，彼此相互连接形成一体式结构；所述无定形碳层(3)完整均匀包覆在钛基纳米阵列(2)表面。

作为改进，所述碳包覆钛基纳米阵列材料具有导电基底(1)上有序排列的“壳-核”纳米结构，所述的核是钛基纳米线、纳米柱或纳米管阵列，所述的壳是无定形碳层。

作为另一种改进，所述导电基底(1)包括钛片、导电玻璃、碳布、碳纸、石墨烯膜、碳纳米管膜和多孔碳膜。

作为另一种改进，所述钛基包括氮化钛、氧化钛和氮掺杂氧化钛；所述钛基纳米阵列(2)为一组有序排列的单根纳米线、集束纳米线、纳米柱或纳米管；其中，单根纳米线直径为10～30nm；集束纳米线直径为20～200nm，长度为1～1.5μm；纳米柱直径为100～300nm，长度为1～1.5μm；纳米管直径为50～100nm，壁厚为10～30nm，长度为3～5μm。

作为另一种改进，所述无定形碳层(3)的厚度为3～10nm。

本发明还提供了一种上述碳包覆钛基纳米阵列材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用种子辅助水热反应法及高温煅烧处理方法制备氧化钛纳米线或纳米柱阵列：在导电基底材料表面物理吸附含钛种子液，干燥后置于密封水热反应釜中，加入盐酸、水和钛基前驱体的混合反应液，进行水热反应；反应产物在惰性气体保护下进行高温煅烧处理，即得晶体相氧化钛纳米线或纳米柱阵列；

采用恒电压阳极氧化法及高温煅烧处理制备氧化钛纳米管阵列：在二电极电化学反应体系中，以钛片作为阳极、铂片作为阴极，以乙二醇、水、氟化铵的混合液为反应电解液，进行恒电压阳极氧化反应；反应产物在惰性气体保护下高温煅烧处理，即得晶体相氧化钛纳米管阵列；

(2)采用受控氮掺杂处理或完全氮化处理方法制备氮掺杂氧化钛或氮化钛纳米阵列：将晶体相步骤(1)制得的氧化钛纳米线、纳米柱或纳米管阵列置于管式气氛炉中，在氨气气氛下进行高温完全氮化或部分氮掺杂处理，即得氮化钛或氮掺杂氧化钛纳米阵列；

(3)采用水热反应法及高温煅烧处理方法制备碳包覆钛基纳米阵列材料：将氮化钛、氧化钛和氮掺杂氧化钛纳米阵列材料置于密封水热反应釜中，加入水热反应液进行水热反应；反应产物在氮气保护下进行高温煅烧处理，即得碳包覆钛基纳米阵列材料。