[发明专利]一种氧化钼/碳小球复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电极材料——碳基氧化钼复合材料的制备技术领域。

背景技术

三氧化钼由于其独特的层状结构、较高的理论比电容、资源广泛和价格低廉等优点作为电极材料吸引了人们的广泛兴趣。但是由于三氧化钼导电性能差，导致其实际比电容值远低于理论比电容值，限制了其实际应用。因此提高三氧化钼的导电性能是其作为超级电容器电极材料的关键。

人们研究发现，改变其形貌、包覆、掺杂等手段可以有效的提高三氧化钼的导电性。纳米结构的三氧化钼可以缩短电子的转移路径，增大电极与电解液的接触面积，进而提高其导电性。介孔碳小球由于其规则有序的孔道结构、大的比表面积和优良的导电性能等被人们广泛应用于超级电容器电极材料。但是以碳材料作为电极材料的超级电容器其能量密度比以金属氧化物为电极材料的超级电容器的能量密度低。研究表明，碳材料与金属氧化物复合得到的复合材料既具有良好的导电性又具有较高的比电容性能。所以制备金属氧化物与碳材料复合形成的新型材料成为研究的热点。

发明内容

本发明目的是提供一种在降低氧化钼材料颗粒之间接触电阻的同时能提高氧化钼材料的反应面积的氧化钼/碳小球复合材料的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将氮掺杂有序介孔碳小球分散在钼酸铵水溶液中，并加入HCl，得到酸化后的溶液；

2）将酸化后的溶液置于微波反应器中，在回流条件下进行微波反应，取反应后的固体物洗涤干净后，于60℃～80℃下真空干燥，即得六方相氧化钼/碳小球（C@h-MoO₃）复合材料；

3）将六方相氧化钼/碳小球（C@h-MoO₃）复合材料在惰性气体气氛下进行煅烧，即得到正交相氧化钼/碳小球（C@α-MoO₃）复合材料。

采用以上方法制成的正交相氧化钼/碳小球（C@α-MoO₃）复合材料呈核壳结构，保持了氮掺杂碳小球的纳米球状结构，粒径在90-110nm范围内，样品单分散性较好，氧化钼均匀地负载在碳小球表面，包覆的氧化钼的厚度约为10nm。

本发明反应周期短，工艺简单，成本低廉，制备的复合材料单分散性较好。复合材料具有良好的电化学性能，在超级电容器电极材料领域具有广泛的应用前景。

本发明的优势在于：

1、以钼酸铵为钼源，有序介孔碳小球作载体，可得到稳定结构的氧化钼/碳小球复合材料。与现有的氧化钼/碳复合材料合成途径相比，节约了制备用的试剂，简化了生产工艺，缩短了反应时间。

2、该方法原料料易得，操作简单，产物重现性高。

3、得到的氧化钼/碳小球复合材料稳定性高，在循环寿命的测试中显示出了良好的稳定性，在超级电容器方面有广阔的应用前景。

步骤2）中真空干燥的温度为60℃～80℃可彻底去除样品中的非结晶水，若温度过高的话，样品可能会发生分解，导致材料的结构发生变化。

本发明优选采用的氮掺杂有序介孔碳小球的粒径为80～100nm。具有粒径均一，单分散性好的优点，同时氮掺杂碳小球具有良好的亲水性，可以更好的分散于钼酸铵溶液中，有助于复合材料的制备。

本发明优选的钼酸铵为七钼酸铵。七钼酸铵溶液在酸性条件下受热可直接分解为三氧化钼、水、氨水，且其来源广泛、价格便宜。

所述HCl和钼酸铵的混合摩尔比为10～30:1。本发明步骤1）中加入HCl，可调节溶液的酸度系数，在该投料比下，得到晶型较好、分布均一，形貌较好、不会产生交联的复合材料。

步骤2）中，所述微波反应的微波功率为700W。在该功率下钼酸铵与盐酸反应，可以转化为粒径较小的颗粒状的氧化钼均匀的负载在碳小球表面。

步骤2）中，所述微波反应时间为90s。在90s时生成的氧化钼可均匀的负载在碳小球表面，此时复合材料不会发生交联，样品单分散性较好；若时间过久，则样品容易发生交联，团聚比较严重。

步骤2）中，用水和乙醇对反应后的固体物进行洗涤。可以去除体系中未反应完全的一些物质，得到纯净度高的复合材料。

步骤3）中，煅烧温度为400℃，煅烧时间为6小时。六方相氧化钼在400℃时为会转变为正交相氧化钼，当温度低于400℃时六方相氧化钼不会发生相转变，当温度过高时，碳材料会将三氧化钼还原为二氧化钼，因此只有在400℃下煅烧，才会得到晶型较好的氧化镍/碳小球复合材料。