[发明专利]一种石墨碳/金属氮化物复合纳米管阵列及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及超级电容器电极材料领域，更具体地，涉及一种石墨碳/金属氮化物双壁纳米管阵列及其制备方法。本发明通过ZnO模板法电沉积法实现金属氧化物附着在石墨碳层的表面和石墨碳和金属氮化物对ZnO纳米棒的双层包覆，通过对金属氧化物的氮化处理和酸洗，从而制备出石墨碳/金属氮化物复合纳米管阵列。本发明所述的制备方法能实现石墨碳/金属氮化物复合纳米管阵列的可控合成，并调控石墨碳层和金属氮化物层各层厚度，可显著提高金属氮化物的导电性，提高电活性物种的传输速度，提高电极材料的性能。工艺简单，适合规模化或工业化生产，制备的石墨碳/金属氮化物复合纳米管阵列具有优越的超电容性能。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料领域，更具体地，涉及一种石墨碳/金属氮化物复合纳米管阵列及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器的关键部件是电极材料，它的性能决定着超级电容器的性能。纳米管阵列电极因高度有序及大比表面积等独特的形貌优势，广泛用于高性能超级电容器电极材料的研究。过渡金属氧化物MnO₂、NiO、Co₃O₄、氢氧化物Co(OH)₂、Ni(OH)₂、锂离子电极材料Li₄Ti₅O₁₂、H₂Ti₆O₁₃等由于廉价、电容性能高等优点，作为超级电容器电极材料已引起了科学家们的广泛关注。然而，上述材料的一个致命缺点是导电性差，严重影响着电极的充放电速率、能量密度和功率密度，已成为电容器电极材料发展的一个重要瓶颈。金属氮化物由于高导电性而受到广泛关注，可用于提高电容器材料的导电性能。但目前，如何将金属氮化物与纳米管阵列结合，形成复合纳米管阵列，协同提高材料的导电性能一直是金属氮化物纳米管阵列导电材料的研究难点。目前具有优越电化学性能的石墨碳/金属氮化物复合纳米管阵列已成为该领域的研究热点及难点，超级电容器电极材料中石墨碳与金属氮化物形成纳米管仍是一大难点。

本发明通过将过渡金属氮化物与石墨碳复合形成具有高导性的有序复合纳米管阵列，可以显著提高过渡金属氮化物的电子、离子传输性能，充分发挥纳米结构中丰富的界面优势和协同效应，从而可得到低成本、高性能的复合电极材料，为超级电容器生产提供了一种高导电性能的电极材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，为了克服现有技术中超级电容器电极材料中石墨碳与金属氮化物形成纳米管的难点，提供一种石墨碳/金属氮化物复合纳米管阵列。

本发明的另一目的在于提供一种石墨碳/金属氮化物复合纳米管阵列的制备方法。

本发明的另一目的在于提供石墨碳/金属氮化物复合纳米管阵列在超级电容器电极材料中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种石墨碳/金属氮化物复合纳米管阵列，由石墨碳和金属氮化物复合形成石墨碳/金属氮化物双壁纳米管阵列。

相对于其他形状的纳米阵列电极材料，比如片状材料的堆积，石墨碳/金属氮化物双壁纳米管阵列的管状结构能够增大材料的比表面积，提高电极材料的电容量，有利于提高其充放电速度，进而提高材料整体的导电性能。

通过石墨碳和金属氮化物复合，可显著提高金属氮化物的导电性，提高电活性物种的传输速度，同时可以很好地抑制电极材料的团聚，提高电极材料的性能。

优选地，所述金属氮化物为氮化猛、氮化钴、氮化铁、氮化镍或氮化锰钴。金属氮化物的导电性一般高于金属氧化物，所以有利于实现电容材料需要的快速电子传输性能。不同金属氮化物的导电性有一定差异，将氮化物与石墨碳复合能够进一步提升整体电容材料的导电性。

优选地，所述石墨碳/金属氮化物双壁纳米管阵列的管径为300～1000nm，长度为1～20μm，石墨碳壁厚度为20～200nm，金属氮化物壁厚度为20～400nm。