[发明专利]一种复合纳米管及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，更具体地，涉及一种复合纳米管及其制备方法与应用。

背景技术

绿色可持续能源需求的快速增长促使先进能源存储的快速发展，超级电容器作为储能装置具有快速充放电、高功率密度、长的循环寿命等优点，与可再充电池混合使用可以弥补可再充电池功率密度小的缺点，因此倍受科研和商业领域的关注。

依据工作原理，超级电容器电极材料可分为：碳材料、导电聚合物材料、金属氧化物/氢氧化物等。其中MnO₂在超级电容中已经得到了一定范围的应用，例如，专利文献CN2013103842562公开了一种高导电性超级电容器用MnO₂纳米复合电极的制备方法，利用在碳纳米管表面沉积MnO₂得到超级电容器的复合电极。然而单纯的金属氧化物包覆碳管对充放电时间的加快以及比电容的提高都很有限。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种复合纳米管及其制备方法，其目的在于，利用循环伏安法实现惰性金属纳米颗粒对MnO₂材料的掺杂，从而综合两者的优点，提高超级电容器的性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种复合纳米管，所述复合纳米管的间距为10nm～50nm，所述复合纳米管包括氮-掺杂碳管及其外表面的包覆层，所述包覆层为金属纳米颗粒掺杂的MnO₂，所述氮-掺杂碳管的内径为90nm～150nm，管壁厚度为10nm～60nm，高度为1.5μm～4μm，所述金属纳米颗粒为粒径小于50nm的惰性金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒与MnO₂的质量比为6:100～30:100。

优选地，所述包覆层的厚度为100nm～250nm。

优选地，所述金属纳米颗粒的粒径小于10nm。

优选地，所述金属纳米颗粒为Au、Ag、Cu、Pd或Pt。

优选地，所述金属纳米颗粒与MnO₂的质量比为19:100～25:100。

本发明还提供了一种上述复合纳米管的制备方法，包括：

选取生长于柔性导电基底表面的氮-掺杂碳管作为三电极体系中的工作电极；所述氮-掺杂碳管的内径为90nm～150nm，管壁厚度为10nm～60nm，高度为1.5μm～4μm；

利用循环伏安法，在所述氮-掺杂碳管的外表面交替沉积MnO₂和惰性金属纳米颗粒，从而形成MnO₂和惰性金属纳米颗粒组成的包覆层，制备得到所述复合纳米管，所述复合纳米管的间距为10nm～50nm，所述包覆层中，惰性金属纳米颗粒与MnO₂的质量比为6:100～30:100；

其中，所述交替沉积MnO₂和惰性金属纳米颗粒的过程中，MnO₂的单次沉积量为15μg/cm²～100μg/cm²，惰性金属纳米颗粒的单次沉积量为5μg/cm²～10μg/cm²，沉积MnO₂的扫速为0.75V/s～5V/s的高扫速与0.1V/s～0.75V/s的低扫速交替，且每次更换扫速循环1圈～3圈(从最低电势到最高电势再回到最低电势为1圈)。

优选地，所述氮-掺杂碳管的间距为100nm～400nm。

优选地，所述交替沉积MnO₂和惰性金属纳米颗粒的过程中，沉积惰性金属纳米颗粒的扫速为5V/s～20V/s。

优选地，所述交替沉积MnO₂和惰性金属纳米颗粒的过程中，MnO₂的单次沉积量为20g/cm²～50μg/cm²。

优选地，所述交替沉积MnO₂和惰性金属纳米颗粒的过程中，每次更换扫速循环1圈。