[发明专利]一种氮化钛/碳复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料合成的领域，涉及一种超级电容器的电极材料，具体来说是一种氮化钛/碳复合纳米材料的制备方法。

背景技术

随着便携式电子装置和混合动力汽车市场的快速发展，大力发展环境友好型的高性能储能器件成为了当今世界经济可持续发展的重要课题之一。目前市场上常见的传统储能装置为电池（包括碱锰、银锌等一次电池和铅酸、镍镉、镍氢、锂离子、聚合物等二次电池）和传统电容器，电池虽然能量密度相对较大但是储能时充电时间较长、功率密度相对较低，难以满足比如一些高能脉冲等特定的应用场合，而传统电容器虽然可以快速充放电、功率密度高但是它的能量密度又较低，其应用的范围正在不断缩小。

超级电容器即电化学电容器的出现使上述的问题得到了解决。超级电容器具有功率密度大、使用寿命长、充放电速度快等优点。此外超级电容器可与其它高能量密度的储能装置匹配成混合储能器件，如同锂离子电池组合或燃料电池联用，应用在低排放量的混合电动汽车中。其中影响电化学电容器的电化学性能是它的电极材料，因此寻找高性能的电极材料是研究的重点。现在应用在电化学电容器上的材料包括碳基材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料和复合材料。因为碳基材料具有良好的导电性和较高的机械强度，但是碳基材料提供的主要是双电层电容，其电容量优先，而金属氧化物和导电聚合物其电容量要比碳基材料的高很多，因此将两种不同的材料结合组成复合材料使其具有更好的电容性能。（谢小英，张辰，杨全红.超级电容器电极材料研究进展[J].化学工业与工程.2014,01,013,63-71;李英.二氧化锰及二氧化锰/氧化石墨烯复合电极的超电容性能[D].天津：天津大学，2012；钱陆明.超级电容器电极用新型杂化碳材料的制备[D].南京：南京理工大学，2013）。

过渡金属氮化物TiN具有高熔点、高硬度、优良的化学稳定性和耐腐蚀性，因此成为切削工具、耐磨部件的优选材料，同时常被用作复合材料中的增强相等。朱福兴等采用电解法制备氮化钛，具体方法是在钛可溶阳极点解制备金属钛的过程中，在阴极通入氮气，氮气与阴极产生的钛反应生成氮化钛，之后分离电解质和氮化钛，即得到氮化钛产品。其中点解的温度为650~850℃，分离电解质的过程中需要用到蒸馏、水洗和酸洗等的步骤。蒸馏的温度为950~1000℃。虽然他能采取一步制备得到氮化钛，但是合成的步骤比较麻烦，而且蒸馏所需的温度也比较高，一般的装置不能满足要求，因此这种方法还是存在很大的缺陷（朱福兴，穆天柱，邓斌，何安西，程晓哲，马尚润，陈兵，郑权，张瑶.制备氮化钛的方法，中国，CN104498982A.2015-04-08.）。

RomuloR.M.等利用阴极笼等离子体沉积技术制备得到了TiN，就是利用常规的具有两同心阴极笼的等离子体反应器，在最大电压为1500V，电流为2A的情况下，在阴极笼放置两个厚度为2.0mm的两个钛片，之后在制备的过程中通入N₂/H₂(80%N₂)混合气，处理温度保持在400℃，制备得到氮化钛。虽然通过这种方法得到了氮化钛，但是要在高的电压的情况下，不是太安全，因此还有待进一步改善（RomuloR.M.deSousa,PatriciaS.Sato,BartolomeuC.Viana,ClodomiroAlvesJr,AkioNishimoto,PedroA.P.Nascente.CathodiccageplasmadepositionofTiNandTiO2thinfilmsonsiliconsubstrates.J.Vac.Sci.Technol.A33(4),Jul/Aug2015）。

鲁元等以二氧化钛和碳粉为原料，采用碳热还原法制备得到了多孔氮化钛。具体步骤是把二氧化钛和碳黑以摩尔比为1：2的比例配好，然后将配好的粉料与磨球放入混料罐，以无水乙醇为介质用行星球磨机湿混24h，之后烘干，用200目的筛网过筛，之后放在模具中压成长方形，然后放在0.5MPa的氮气压力下进行烧结，烧结的温度为1600~1750℃，得到了高气孔率的氮化钛。但是实验中烧结温度较高，不能满足日常的制备需要（鲁元，龚楠，荆强征，李京京，炱柯.碳热还原法制备多孔氮化钛陶瓷[J].陶瓷学报，2009，32（2），177-182）。